LIB 위주 국내전지업계 미래 밝나?

네비건트리서치 샘 제이프 “수퍼커패시터 등 다양한 포트폴리오 필요“

안희민 기자ahm@ekn.kr 2014.04.06 17:50:14  

▲ 네비건트리서치의 샘 제프 수석연구원은 우리나라가 LIB 중심인 것에 우려를 표시했다. 다양한 용도에 적합한 다양한 전지가 존재한다며 포트폴리오 다각화를 주문했다.

포트폴리오가 LIB(리튬이온전지) 중심의 국내 전지업계의 미래 경쟁력에 의구심이 표현됐다. 

지난 3일 개최된 네비건트리서치 ‘에너지저장과 차세대전지’ 세미나에서 주제 발표한 샘 제이프 수석연구원은 “국내 기업 포트폴리오가 LIB 중심”이라며 “수퍼커패시터 등 유망 전지산업을 놓치고 있다“고 말했다. 

삼성SDI와 LG화학은 전세계 이차전지 시장의 50% 이상을 차지하지만 스마트폰용 이차전지가 주종이다. 이를 바탕으로 EV와 ESS전지 시장에 진출하고 있지만 수퍼커패시터, NaS, 레독스흐름전지 등과 의 경합도 만만치 않다. SK이노베이션의 EV전지 시설도 LIB이다. 삼성그룹의 종합기술원 차원에서 리튬공기전지가 개발 중이나 여전히 상용화 이전이다.

우리 기업들이 LIB가 에너지밀도와 순간출력이 우수해 향후 10년 간 지배적인 전지로 꼽기 때문이지만 가격 경쟁력이나 대용량 전력저장 부문에서 약세를 보이고 있다. 특히 LIB 시장이 포화된 상황에서 전지가격이 1kW당 35만원 아래로 떨어지는 등 기업 간 출혈경쟁도 벌어지고 있어 포트폴리오 다각화가 힘을 받고 있다. 

  

▲LIB, 코발트를 대체하기 위해 다양화=샘 제이프에 따르면 일단 삼성SDI와 LG화학은 LCO, LMO, 리튬폴리머 등 LIB에 집중하고 있다. 반면 테슬라에 전지를 공급 중인 日파나소닉은 LCO, NCA를, 도시바는 LTO, 도요타는 마드네슘 이온 전지를 생산 중이다.

LG화학과 ESS 리더로 꼽힌 美JCI는 기존 흑연음극재 NMC와 실리콘 음극재를 채용한 리튬 NMC을 생산하고 있고 중국의 리센은 리튬폴리머 전지와 LFP를 생산 중이다. 이 밖에 바냐듐레독스 흐름전지를 생산하는 日스미토모, Zinc Redox의 ZBB 등이 유명하다.

일단 전세계 이차전지 시장은 LIB 중심으로 펼쳐져 있다. LIB는 에너지밀도와 순간출력 양 측면 모두 우수하기 때문이다. 양극재의 성분을 다양화하며 다양한 파생형을 양산했다.

LCO(리튬코발트)는 가장 널리 쓰이는 LIB이다. 에너지밀도가 kg당 140～210Wh이며 가격도 kWh당 220～350달러 선이다. 하지만 리튬과 코발트는 희토류에 속해 생산량이 한정돼 있으며 특히 코발트는 산출량이 점점 줄어든다. 그래서 리튬폴리머, LMO(리튬망간스피넬), NCA(리튬니켈코발트알루미늄), NMC(리튬니켈망간코발트) 등 파생 LIB가 개발됐다. 따라서 이들은 LCO와 조금 다른 에너지밀도를 보이고 가격대도 다르다.

리튬폴리머는 에너지밀도가 kg당 120～190kWh이며 kWh당 320～500달러 수준이다.

LMO는 kg당 180～220Wh이며 380～600달러 수준이다. 쉐보레 볼트에 LG화학가 생산한 LMO가 닛산 리프에는 AESC가 생산한 LMO가 장착 중이다.

NCA는 kg당 200～240Wh이며 180～700달러로 다양한 가격대다. 테슬라의 모델S와 도용타 플러그인 프리우스에 장치된 이차전지가 각각 파나소닉의 NCA 18650 NCA이다.

NMC는 리튬니켈망간코발트 가격대가 600～900달러선이다. 반면 에너지밀도는 160～200Wh로 LCO와 비슷한 수준이다. 

LTO는 리튬티탄네이트 전지로 에너지밀도가 kg당 80～160Wh로 다소 낫다. 반면 가격은 kWh당 950～1400kWh로 높은 수준이다. 도시바 외에 르클란세, ATL 등이 생산한다.

LFP는 철이 들어가 무겁지만 상대적으로 생산비용이 저렴하다. 지난달 25일 A123를 인수한 NEC와 리센이 생산한다. 에너지밀도는 kg당 90～140Wh, 가격은 kWh당 400～800달러 선이다. 

  

▲리튬황, 전고체 전지 등 脫LIB 위해 다양한 시도=LIB를 탈피하려는 시도도 가속화되고 있다. JCI, 보쉬 등이 생산 중인 리튬NMC가 대표적으로 일반적인 흑연 음극재 대신 실리콘을 사용한 리튬NMC는 에너지밀도가 308～440Wh로 높은 수준이다. 가격은 kWh 당 300～900달러 선이다. 

리튬황 전지도 대안 중의 하나다. 시온 파워, 폴리플러스, 옴스 등 다소 생소한 기업들이 생산 중이지만 에너지 밀도가 kg당 200～240Wh이며 가격대로 kWh당 100～1200달러 선이다. 삼성SDI도 지난 인터배터리 2013에 선봰 전고체전지도 있다. 가격은 kWh당 200～1200달러 선으로 에너지밀도는 kg당 160～200Wh다. 시오, 삭티3, 솔리드파워 등이 생산한다.

도요타, 애플 등이 생산하는 마그네슘 전지는 100～900달러 선이며 에너지밀도는 kg당 180～280Wh다. 도요타는 리튬에어전지도 생산한다. 리튬에어전지는 에너지밀도가 높아 EV용 LIB를 대체할 유력한 전지로 꼽히기도 했지만 아직 상용품이 없다. kg당 400～3500Wh의 에너지밀도를 보이며 가격은 kWh당 150～1800달러다. IBM과 삼성그룹이 개발 중이다.

▲충전 빠르고 순간출력 좋은 수퍼커패시터 ‘각광’=수퍼커패시터는 충전시간이 적고 순간출력이 좋아 전기차에 적용이 연구되고 있다. 현재 LIB의 충전시간이 빨라도 15분 이상이지만 수퍼커패시터는 5분 안쪽이다. 또 힘이 좋은 골리앗 크레인 등에 응용되고 있다. 하지만 지속시간이 짧은 단점이 있다. 美맥스웰, 우리나라의 LS엠트론 등이 연구 중이다.

전기이중층커패시터(EDLC)는 대표적인 수퍼커패시터다. 에너지밀도가 kg당 10～20Wh이며 가격은 kWh당 1800～5600달러 선이다. 맥스웰, 니폰세미컨, 록서스 등이 생산한다.

수퍼커패시터의 양극재와 음극재는 탄소 소재인데 양극재를 리튬으로 바뀐 하이브리드수퍼커패시터도 관심사다. 히타치 화학, JSR은 양극재가 리튬인 리튬커패시터를 생산하는데 에너지밀도는 kg당 10～40Wh이다. 가격은 kWh당 1200～3700달러 선이다.

액체 전해질에 전기를 보관하는 레독스 흐름전지도 주목할만하다. 수미토모, 길데마이스터, 이머지가 생산하는 바나디듐 레독스 전지는 에너지밀도가 kg당 50～100Wh이며 가격대는 kWh당 500～1100달러선이다. 

아연 레독스도 흐름전지의 한 종이다. ZBB, RedFlow가 생산하며 에너지밀도는 kg당 50～100Wh이다. 가격은 kWh당 800～1200달러 선이다. 올해초 제네바모터쇼에서 바나듐 레독스 흐름전지를 장착한 전기차가 선뵈 화제였다. 

에너볼트는 아이언 크롬미움이라는 다소 생소한 전지를 생산한다. 하지마 에너지밀도가 kg당 140～1200Wh로 LIB와 비슷한 수준이고 가격도 kWh당 200～800달러로 크롬의 희소성과 철의 무거움을 해결한다면 향후 LIB의 경쟁자가 될 수 있다.

ESS용 LIB 양극재 소재는 무엇?

신재생복합 LMO, 주파수조정, 피크 저감, 운전예비 LFP

안희민 기자ahm@ekn.kr 2014.04.07 11:08:06  

LFP가 ESS용 전지 소재로 주목받고 있다. ESS의 주요 사용처인 주파수 조정, 운전 예비, 피크 저감, 부하조정용에 LFP가 주요 소재로 소개되고 있다. 네비건트리서치의 샘 제이프는 LFP가 ESS용 전략소재가 될 것이라고 예측했다.

LFP은 리튬이온전지(LIB)의 양극재 소재 중 하나로 LiFePO4 즉 Lithium Iron Phosphate의 약어다. 우리나라의 한화케미칼, 중국의 리센, BYD, 일본의 NEC 등이 생산 중이다. 

에너지밀도가 kg당 90～140Wh로 LTO, NMC, LMO, LCO, 리튬폴리머, NCA 등 여타 LIB 소재보다 낮은 축에 속한다. 가격은 kWh 당 400～800달러 선이다. 하지만 주 소재인 철과 인이 코발트 등 희토류보다 구하기 쉬워 대량생산되면 값이 더욱 떨어질 전망이다. 

샘 제이프는 ESS용 전지의 사용처로 주파수 조정(Frequency regulation), 신재생에너지 복합설비용(Renewables integration), 운전 예비(Spinning reserve), 피크 저감(Peak shaving), 부하조정(Load shifting)으로 나눴다. 

신재생에너지 복합설비용 ESS은 전세계 캐파가 160MW, 960MWh로 추산되며 LMO가 주 소재다. 하지만 나머지는 모두 LFP가 유력하다. 

주파수 조정용 ESS는 캐파가 88MW, 22MWh 정도이며 운전 예비용은 18MW, 14MWh, 피크 저감은 40MW, 40MWh이다. 아직 부하 조정용은 통계에 잡히지 않았다.

LFP가 ESS용 주요 소재로 추천된 것에 대해 생소하다는 표정이다. 일단 우리 기업의 ESS 전략은 기존 전지 생산시설에서 양극재의 소재 성분을 바꿔 ESS로 출시한다는 계획이다.

LG화학은 LFP 원천 기술을 갖고 있는 獨수드켐과 MOU를 맺고 기술 교류를 진행 중이고 삼성SDI도 양극재 소재를 개발하며 LFP 소재 기술도 병행해 개발 중이다.

한편 한화케미칼은 LFP-1000, LFP-CNT 두 종의 LFP를 생산 중이다. LFP-1000는 음이온 부족형 비화학양론적 LFP이며 LFP-CNT는 탄소나노튜브 복합체이다. 기존 LFP보다 출력이 우수하고 저온에도 전지가 제기능하도록 돕는다고 소개되고 있다.