전기자동차용 리튬 이온전지 개발 현황 및 전망

리튬이온전지 안전성과 주행거리 늘릴수 있는 고에너지밀도 구현이 기술적으로 해결되어야

글 신윤오 기자(yoshin@techworld.co.kr) 2014-04-01 |

리튬이온전지는 모바일 IT(mobile IT) 제품의 전력원으로 주로 사용되어 소형 전지 위주로 산업이  발전되어 왔으며, 전기자동차 및 에너지 저장시스템에 대한 관심이 증가하면서 중대형 이차전지  시장으로의 확장이 시작되고 있는 단계이다. 이러한 전기자동차용 이차전지는 시장이 급성장하고  있으며, 또한 그 주도권의 한축을 한국이 잡고 있기 때문에 국내 산업의 성장이 크게 기대되고 있다. 글: 조용남 선임 / 첨단 배터리 연구센터 전자부품연구원(KETI) / www.keti.re.kr   전기자동차는 발전시스템 또는 에너지 저장시스템으로부터 동력을 공급받아 모터를 구동시켜  작동되는 자동차를 일컫는다. 최근 들어 전기자동차가 관심을 받게 된 것은, 현재까지 자동차의 주 연료인 석유의 고갈로 인한  유가 상승과 내연기관에서 배출되는 온실가스에 대한 환경규제의 강화로 인해 에너지의 생산과  활용에 대한 관심이 크게 증가하였기 때문이다. 에너지 사용의 고효율화와 환경 개선이라는 명제  하에 전기자동차 시장은 크게 성장하고 있으며, 이에 따라 전기자동차의 주동력원으로 사용되는  이차전지에 대한 관심이 크게 높아지고 있다. 현재 전기자동차용 이차전지로 사용되고 있는 것으로는 납축전지, Ni-MH, 리튬이온전지가 있으며  리튬-황 전지, 리튬-공기전지 등이 차세대 이차전지 시스템으로 연구 개발 중이다. 이들 이차전지  시스템 중에서 납축전지와 Ni-MH는 리튬이온전지에 비해 에너지밀도가 낮고, 리튬-황 전지와 리튬 -공기 전지는 에너지밀도가 높은 반면 안전성과 가역성 등이 아직 해결되지 않아 현재로서는  리튬이온전지가 활용 가능성이 가장 높은 것으로 판단되고 있다. 리튬이온전지는 모바일 IT(mobile IT) 제품의 전력원으로 주로 사용되어 소형 전지 위주로 산업이  발전되어 왔으며, 전기자동차 및 에너지 저장시스템에 대한 관심이 증가하면서 중대형 이차전지  시장으로의 확장이 시작되고 있는 단계이다. 리튬이온전지는 1991년 일본의 소니에 의해 처음으로 상용화되어 최근까지 일본이 세계시장을  주도하고 있었지만, 현재는 삼성SDI와 LG화학을 필두로 한국이 일본을 추월하여 세계시장 1위를  점하고 있다. 이러한 전기자동차용 이차전지는 시장이 급성장하고 있으며, 또한 그 주도권의 한축을 한국이  잡고 있기 때문에 국내 산업의 성장이 크게 기대되고 있다. 그림 1. 양극, 음극 소재에 따른 전기자동차용 리튬이온전지의 에너지밀도 비교 전기자동차용 리튬이온전지 산업 현황 전기자동차에 사용되는 이차전지에 요구되는 특성은 전기자동차의 종류에 따라 달라진다. 하이브리드 전기자동차(HEV)에 사용되는 이차전지의 주역할은 엔진을 보조하는 것이기 때문에 높은 출력특성이 요구된다. 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)는 모터로 단거리 주행(10~40mile)이 가능해야 하며, 그 이상으로 주행할 경우 하이브리드 전기자동차와 같은 성능을 가져야 하기 때문에, 여기에 사용되는 이차전지는 고에너지밀도와 고출력 특성이 함께 요구된다. 전기모터로만 주행하는 전기자동차(EV)의 경우 주행거리가 충분히 확보되어야 되기 때문에 고에너지밀도가 가장 중요한 특성이 된다. 그리고 모든 전기자동차용 이차전지는 장수명 특성이 함께 요구된다. 현재 가장 많이 상용화된 전기자동차는 HEV로 여기에는 Ni-MH 전지와 리튬이온전지가 가장 많이 사용되고 있다. Ni-MH 전지는 일본의 토요타에서 개발한 HEV(프리우스)에 사용되고 있으며, 출력과 수명특성이 우수하고 안전성이 뛰어나다는 장점이 있다.  반면 작동 전압이 1.5V 정도로 전지의 에너지밀도가 낮아 전기모터로 주행이 필요 없는 HEV에는 사용될 수 있지만 HEV나 EV에는 사용될 수 없다. 이에 반해 리튬이온전지는 작동 전압이 3.7V 정도이고 단위 체적당 에너지밀도는 Ni-MH 전지에 비해 3배 정도 높은 장점이 있어, 현재 개발 중인 PHEV나 EV용 이차전지로 연구되고 있다. 즉 전기자동차용 이차전지는 전기자동차의 종류에 따라 요구되는 특성이 다르며, 일정 거리 이상의 모터 주행인 필요한 PHEV와 EV는 에너지밀도가 높아야 하며, 엔진 보조형으로 사용되는 HEV에는 출력 특성이 높아야 한다. 그리고 공통적인 특성으로는 장기 신뢰성, 고안전성이 요구된다. 이런 특성 중 에너지밀도와 안전성은 전기자동차의 상용화에 가장 중요하다. 이차전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 방법으로는 고용량의 양극, 음극 활물질을 사용하는 것이다. 현재 사용 중이거나 검토되어지는 양극, 음극 소재에 따른 이차전지의 에너지밀도를 그림 1로 나타내었다. 하지만 고용량의 활물질은 일반적으로 출력특성이 나쁘기 때문에 높은 용량을 구현하면서 높은 출력특성을 가지는 소재 개발이 필요하다. 이차전지의 안전성은 에너지밀도와 반비례 관계가 있다. 즉 높은 에너지를 가지는 이차전지는 안전성이 낮아지게 되는데, 이를 극복하기 위한 방법으로는 안전성이 높은 양극, 음극 활물질의 개발과 세라믹이 코팅된 분리막의 개발, 난연성의 전해질 개발 등 이차전지의 주요 소재의 개발에  집중되고 있다. 또한 모듈과 팩에서는 설계 및 패키징을 통해 이를 해결하고자하는 연구가 진행되고 있다. 국내 현황 국내 리튬이온전지 산업은 소형 IT 기기에 사용되는 소형전지의 제조기술을 바탕으로 전기자동차용  이차전지 연구에 집중하고 있다. 현재 상용화된 전기자동차는 HEV가 있으며, LG화학에서 생산한  리튬이온전지 팩을 탑재하고 있다. 이를 기반으로 PHEV와 EV에 대한 연구를 진행하고 있으며 국가 연구개발 예산 및 민간 자본을 기반으로 연구개발이 진행 중에 있다. 국내 기업 중 LG화학은 2001년부터 중대형 리튬이온전지에 대한 연구를 시작하여 가장 앞선 기술력을 보유하고 있다. 현대자동차에서 2007년부터 생산, 판매하는 HEV에 이차전지를 공급하고 있으며, 2009년 GM의 전기자동차인 Volt의 이차전지를 공급하는 업체로 선정되었다. 2009년부터 전기자동차용 이차전지를 생산하기 시작하면서 현대자동차, 미국의 Eaton사, GM, Ford사 등에  판매량을 늘려나가기 시작하였으나 2012년 이후부터는 전기자동차의 판매가 기대만큼 증가하지 않고,  국내 및 일본 업체와의 가격 경쟁으로 좋지 못한 상황에 놓여있다. 하지만 전기자동차용 리튬이온전지의  생산량을 늘리기 위한 노력을 계속하고 있으며, 이에 따라 생산 라인의 설비를 변경하기도 하였다. SB리모티브는 2009년 삼성SDI와 보쉬의 합작회사로 최근 보쉬가 지분을 100% 삼성SDI로  넘기면서 삼성SDI 자회사로 편입되었다. 2009년에는 델파이에 2012년부터 10년 동안 HEV용  이차전지를 공급하는 계약을 체결하였으며, 2010년에는 BMW에 2013년부터 2020년까지  전기자동차용 이차전지를 단독 공급하는 계약을 체결하였다. 또한 폭스바겐 그룹은 2011년도에  Sanyo와 SB리모티브를 PHEV용 이차전지 공급업체로 선정하기도 하였다. 이렇게 전기자동차용  이차전지를 공급하는 계약을 체결함으로써 사업규모를 경쟁사인 LG화학과 동등하게 유지할 수  있게 되었다. SK이노베이션은 국내에서는 최초로, 세계에서는 3번째로 리튬이온전지용 분리막 개발 및 양산에  성공하였으며, 전극 제조에 필요한 NMP 제조와 전극 코팅 기술 등의 핵심기술을 바탕으로 HEV용  이차전지 개발에 성공하였다. 2008년에는 국내 EV 생산업체인 CT&T에 리튬이온전지를 공급하였 으며, 2009년에는 버스와 트럭에 사용되는 이차전지를 미쓰비시후소에 공급하였다.  또한 현대자동차에서 생산하는 EV인 i10에 이차전지를 공급하고 있다. 일본 일본은 전기자동차용 이차전지의 연구개발 및 상용화에 가장 앞서있다고 평가받고 있으며,  범국가적인 차원에서 리튬이온전지를 포함한 차세대 이차전지 시스템 개발에 많은 국가적  지원을 하고 있다. 2008년 발표된 “Cool-Earth 에너지 혁신기술 프로그램”은 온실가스 배출을 2050년까지 현재  수준의 절반으로 낮추고 녹색기술을 선도할 수 있는 비전을 제시하였다. 경제 산업성에서 발표한  에너지 관련 로드맵에는 PHEV와 EV용 이차전지 기술이 포함되어 있다. 이 기술 로드맵에 의하면 2030년까지 이차전지의 용량은 7배 증가하며, 현재 130km인 주행거리가  500km로 증가하며 가격은 1/40 수준으로 낮춘다는 계획을 포함하고 있다. 경제산업성 산하  신에너지개발기구(NEDO)에서 기술로드맵과 과제 발굴 및 기획을 담다하고 있으며,  2010년 26억 달러의 예산 중 이차전지 분야는 1.36억 달러이다. NEDO 프로그램 중 2009년부터 시작된 혁신형 이차전지 개발 프로젝트(RISING 프로젝트)에는  매년 30억 엔의 예산이 투입되고 있으며, 리튬이온전지의 소재와 분석기술의 혁신을 통해  리튬이온전지 소재의 개발 방향을 제시하고, 이를 기반을 차세대 이차전지 개발에 활용한다는  계획을 세우고 있다. 일본에서 리튬이온전지를 생산하는 대표적인 기업은 산요이다. 산요는 소형 리튬이온전지를  생산하는 업체로 2000년대 중반까지는 세계 시장 1위를 차지하고 있었다.  전기자동차용 이차전지로는 Ni-MH를 생산하여 포드와 혼다에 공급하였다.  이후 파나소닉에 합병되어 전기자동차용 이차전지로 리튬이온전지의 개발에 주력하고 있다. 주요 공급업체는 토요타, 포드, 폭스바겐, 아우디 등이 있으며 이들 자동차 제조업체는 SB리모티브 와 계약을 한 곳이 많아 SB리모티브와 경쟁 관계에 있다. 도시바는 미쓰비시에서 생산하는 EV에  리튬이온전지를 공급하고 있다. 도시바는 다른 업체들과는 달리 음극소재로 에너지밀도가 낮으나  출력특성과 내구성이 우수한 Li4Ti5O12를 사용하고 있어 PHEV나 EV보다는 HEV용 이차전지 개발 을 타켓으로 사업을 추진 중이다. GS-Yuasa는 일본에서 전기자동차용 이차전지 사업을 가장 활발 하게 추진하고 있는 기업이다. GS-Yuasa는 미쓰비시와 합작회사를 세워 미쓰비시에 50Ah급 전지 를 공급하고 있다. 미국 미국은 친환경차 보급에 가장 활발한 지원을 하고 있으며 에너지부(DOE)의 프로그램을 중심으로  전기자동차용 이차전지 개발 및 보급을 지속적으로 확대하고 있다. DOE에서 지원하는 프로그램 중 ARPA-A(Advanced Opportunity Ann ouncements)는 전력저장과  전기자동차용 에너지 저장 장치를 포함하고 있다. 또한 Recovery Act를 통해 단순 이차전지분야의  기술개발뿐만 아니라 실제 관련 산업 육성을 위해 전지제조 프로젝트를 구성하여 15억 달러의 예산 을 지원하고 있다. <SCRIPT language='JavaScript1.1' SRC="http://ad.doubleclick.net/adj/N3736.853591.EPNC.CH/B6477012.106936067;abr=!ie;sz=575x90;ord=[timestamp]?">< /SCRIPT>< NOSCRIPT>< A HREF="http://ad.doubleclick.net/jump/N3736.853591.EPNC.CH/B6477012.106936067;abr=!ie4;abr=!ie5;sz=575x90;ord=[timestamp]?">< IMG SRC="http://ad.doubleclick.net/ad/N3736.853591.EPNC.CH/B6477012.106936067;abr=!ie4;abr=!ie5;sz=575x90;ord=[timestamp]?" BORDER=0 WIDTH=575 HEIGHT=90 ALT="Advertisement"></A>< /NOSCRIPT> 미국에서 지원하고 있는 프로그램은 단순한 전지제조뿐만 아니라 이차전지 제조와 관련된 전·후방  산업을 포함하고 있으며, 친환경 이슈에 맞는 자원 재활용도 포함하고 있는 특징이 있다.  전기자동차의 보급 및 활용을 확산시키기 위해 보조금을 지원하고 있으며, 전기자동차를  제조하는 기업에게는 지원금을 지급하고 있으며, 국내 기업인 LG화학도 1.5억 달러를 지원받았다. EnerDel은 미국 기업 중 최초로 전기자동차용 이차전지의 생산 설비를 구축한 업체로 DOE로 부터  2009년부터 재정지원을 받아 생산 공장을 설립하였으며, 볼보와 계약하여 V70, C30 등의  전기자동차에 리튬이온전지를 공급할 계획이다. EnerDel은 안전성이 높은 LMO 양극소재와  하드카본, Li4Ti5O12를 음극으로 사용하는 리튬이온전지의 개발을 진행 중이다. A123 Systems는 인산철리튬(LiFePO4)을 생산하는 양극소재 업체로 DOE의 재정지원과 일본의  IHI와의 제휴로 전기자동차용 리튬이온전지를 생산하는 공장을 설립하였다. 인산철리튬은 현재  사용되는 양극소재 중 안전성이 가장 우수한 소재로 BMW에 이차전지 공급을 계획하고 있다. 중국 중국은 전기자동차 보급을 2015년까지 100만대, 2020년까지 500만대를 보급한다는 계획을 세우고  있으며, 2010년부터는 전기자동차 구입에 보조금을 지원하고 있다. 또한 각 도시별로 실증사업을  운영하고 있으며, 현재 20여개 도시가 참여 중이며 총 10만여대의 전기자동차가 보급되어 있다.  중국에서 전기자동차와 관련되어 지원하고 있는 프로그램으로는 2011년 발표된 “자동차와 전기 자동차 산업발전계획”이 있으며, 향후 10년 동안 1,000억 RMB을 지원할 계획이다. 또한 전기자동차와 관련된 기술개발, 산업화 연구, 전기자동차 시범실시 지역 확대, 전기자동차  부품지원, 인프라 건설 등에 예산을 지원하고 있다. 중국의 대표적인 리튬이온전지 생산 업체인  BYD는 2003년부터 전기자동차 개발을 시작하여 2008년 PHEV인 F3DM을 세계 최초로 상용화 하였다. 2011년에는 EV인 E6를 상용화하였다. BYD는 인산철리튬을 양극 소재로 사용하고 있으며  20kWh급의 이차전지 팩을 주로 생산하고 있다. Lishen은 2000년부터 리튬이온전지를 생산한  업체이다. 2004년부터 전기자동차용 리튬이온전지에 대한 개발을 시작하여 현재는 인산철리튬과  MCMB를 사용한 전지를 개발하고 있다. 하지만 Lishen에서 개발한 전지의 성능이 좋지 못하여  자동차업체와의 공동개발이나 공급 계약 등은 이루어지지 않고 있는 상황이다. 유럽 유럽은 각 국가가 경쟁적으로 전기자동차 보급에 대한 계획을 발표하고 있으며, 독일이 가장  활발한 프로그램을 운영, 지원하고 있다. 독일은 기존 수소와 연료전지에 한정된 프로그램을  지원하였으나 이를 이차전지 분야로 확대한 “German Economic Recovery Package”을  지원하고 있으며 이 중에서 이차전지와 관련된 것은 6개의 프로그램을 지원 중이다. SAFT는 2006년 전기자동차용 이차전지 개발을 위해 Johnson Control사와 Joint venture를  설립하여 미국에 생산 라인을 설치하였다. 하지만 Johnson Control사는 공동으로 개발한  리튬이온전지 기술을 조인트 벤처(Joint venture)로 넘겨주었으며, SAFT는 현재 전기자동차용  이차전지보다는 전력저장, 군용 등에 사용되는 전지개발에 주력하고 있다. GAIA는 독일에  리튬이온폴리머 전지를 생산하는 공장을 설립하여 2003년부터 HEV용 리튬이온폴리머 전지를  개발하기 시작하였다. 그림 2. 미국, 일본, 독일의 이차전지 관련 지원 현황 그림 3. 연도별 전기자동차의 비중(추정) (자료: 미래에셋리서치) 전기자동차용 리튬이온전지 산업 전망 유럽에서는 EU 본회의를 통해 CO2 배출량을 단계적으로 감축하여 2015년부터 120g/km 이하로 적용하도록 규정하였고, 이 규정을 지키지 못할 경우 벌금을 부과하는 내용의 CO2 배출규제안을 공식적으로 승인하였다. 미국의 경우 연비규정을 현재의 27.5mpg(mile per gallon)에서 2020년부터 35mpg으로 상향하는 규정을 제정하였으며, 캘리포니아주에서는 판매차량의 10% 이상을 친환경자동차로 하는 의무 규정을 제정하였다. 이와 같이 전 세계적으로 환경 문제를 해결하기 위하여 규제를 통한 기술개발을 독려하고 있다. 이에 따라 미국의 연비규제에 부합하기 위한 전기자동차 시장은 230만대(2016년), 유럽시장은 185만대(2016년)로 증가할 것으로 예상하고 있으며, 전 세계적으로는 1,280만대(2020년)정도로 예상되고 있다. 화석연료의 사용에 따른 온실가스 발새에 따른 기후변화에 잘 대응하고 고갈되어가는 석유 에너지를 대체할 에너지원이 필요함에 따라 전기자동차의 개발 및 보급은 앞으로도 계속될 것이며, 현재 전기자동차용 대체에너지원으로 가장 유력한 리튬이온전지 사업 또한 전기자동차 보급대수의  증가와 정부 정책에 따 향후 급격하게 성장할 것으로 예측된다. 한편, 전기자동차의 상용화와 대중화를 위해서는 리튬이온전지의 안전성과 주행거리를 늘릴 수 있는 고에너지밀도 구현이 기술적으로 해결되어야 하며, 이를 충전할 수 있는 인프라도 구축되어야 한다. 또한 대량생산으로 전기자동차의 가격이 현재보다 낮아져야 하는 과제도 안고 있다. 국내의 리튬이온전지 생산기술은 세계 1위이나 그에 비해 핵심 부품소재 기술, 차세대 소재 개발 기술은 경쟁국인 일본, 중국, 미국 등에 비해 많이 취약하다. 국내 리튬이온전지 산업이 소형 전지부분에서와 마찬가지로 전기자동차용 중대형 전지 산업에서도 세계 1위를 차지하기 위해서는 소재 업체의 전략적 육성과 정부의 정책적 지원이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.