이차전지의 미래, 리튬소재에 달렸다

- 양극활물질 국산화는 특허선점으로부터 - 

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휴대폰, 태블릿 등 소형 IT 기기분야와 자동차 분야에서 공통적으로 이슈가 되는 기술이 있다. 

최근 글로벌 자동차업체 테슬라가 ‘18년까지 연간 50만대의 전기차를 생산하겠다는 계획을 발표하면서 고용량/고에너지밀도의 이차전지 개발에 많은 관심을 보이고 있다. 

리튬이차전지는 양극과 음극사이에 리튬이온의 이동으로 충전과 방전이 수백회이상 반복가능하여 기존의 납축전지 및 니켈전지보다 우수한 작동전압 및 에너지 용량을 구현할 수 있으므로, 앞으로도 시장규모는 더욱 급성장할 것으로 예측되고 있다. 

이를 구성하는 핵심 부품소재는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액으로 구분할 수 있는데, 4대 소재 중 원가 비중이 가장 높은 것이 양극활물질(36%)*이고, 실제 이차전지의 최종성능에도 매우 큰 영향을 주기 때문에 관련 기술개발이 매우 중요하다(붙임 1). 

* 양극활물질 또는 소재(cathode material) : 리튬이차전지에서 양극 전극에 사용되는 활물질을 뜻하며, 코발트, 니켈, 망간 등의 복합산화물에 리튬이온이 저장된 물질로 이루어져 있음 특허청(청장 최동규)에 따르면, 리튬이차전지의 양극활물질 제조(합성)에 관련된 특허출원건수는 ‘97년부터 총 216건이며, ‘08년 이후부터 서서히 증가하여 ‘14년에는 45건으로 나타났다

(붙임 2). - 2 - 양극활물질을 금속염의 구성성분(결정구조)에 따라 살펴보면, 층상 구조의 LCO계 5.1%(11건), NCM계 30.1%(65건), NCA계 5.1%(11건)이고, 스피넬 구조의 LMO계 16.2%(35건), 올리빈 구조의 LFP계 27.8%(60건), 기타 리튬계 15.7%(34건)으로 구분할 수 있다

(붙임 3). * LCO(리튬코발트산화물), NCM(니켈코발트망간산화 물), NCA(니켈코발트알루미늄산화물), LMO(리튬망간산화물), LFP(리튬인산철) LCO계는 상업화 초기부터 광범위하게 사용되어 왔으나, 주합성 재료인 코발트(Co)가 고가이고 매장량이 한정되어 있기 때문에 신규개발은 정체되어 출원건수는 미약하고, 상대적으로 가격과 안전성이 우수한 NCM계는 전기차 시장 확대와 함께 그 대체재료로 개발되어 증가하고 있다. 

또한 LFP계는 올리빈 구조의 화학적 특성 때문에 과열/과충전 상황에서도 안전성이 뛰어나고 수명특성도 우수하여 ‘10년 이후부터는 가장 주목받고 있는 소재이다. 

국가별로는 한국(133건, 61.6%)과 일본(79건, 36.6%)이 주를 이루고 있으며, 기업별로도 ① LG화학(59건, 27.3%), ② 삼성SDI 등의 삼성계열(28건, 13%), ③ 스미토모(日, 17건, 7.9%), ④ 미쓰이(日, 11건, 5.1%)순으로 분석되었다. 

기존 소재의 국산화가 시작되면서 ‘10년 이후부터는 전체 출원건수에서도 일본을 넘어섰다(붙임 4). 일본은 아직까지도 NCM계에 치중하고 있는 반면에 한국은 고용량화, 저가격화 및 대형화를 만족시킬 수 있는 최적의 소재인 LFP계와 NCM계 모두에 관심을 가지고 출원하고 있으며

(붙임 5), 소재기업(양극활물질제조)과 수요기업(전지업체)도 함께 개발하고 있는 등 자체기술확보와 공동협력을 통해 시장변화에 대비하고 있는 것으로 파악된다. 

특허청 관계자는 “기존 모바일 IT 중심의 시장에서 전기차/에너지저장장치용 이차전지 등 중대형 중심으로 시장이 확대되고 있어, 새롭고 우수한 특성을 가진 양극소재의 원천특허 확보가 필요하다. 

특히 더 싸고 오래가며 안전한 리튬이차전지를 개발하기 위해서는 4대 소재 중 양극활물질이 가장 핵심이므로, 향후 수요-공급기업간의 협력을 긴밀하게 유지하면서 일본기업과 경쟁할 수 있는 튼튼한 기초소재기술을 지속적으로 확보할 필요가 있다”고 말했다.

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