Ⅰ. 서론

전지란, 전기에너지를 화학에너지의 형태로 저장하여 필요할 때 전기에너지로 변환하는 부품이다. 스마트폰, 스마트워치와 같은 휴대용 기기의 보급, 사물인터넷 기술 구현을 위한 에너지저장 장치 도입, 내연기관 자동차가 유발하는 지구온난화 및 환경오염을 줄이기 위한 전기 자동차의 급부상 등으로 충·방전이 가능한 이차전지가 최근 많은 주목을 받고 있으며, 이차전지 시장의 지속적 성장이 예측된다. 

이차전지는 지난 120년 동안 점진적으로 성장하였다. 이차전지 종류별 특성을 보면 표 1과 같다. 1900년 초반 개발된 납축전지는 자동차의 시동 및 비상 전원을 위해 사용되었으며, 자동차 시장의 성장과 함께 지속적으로 발전하였다. 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지는 1948년에 발명되었으며, 다양한 전자기기에 도입되어 이동성을 획기적으로 개선하였다. 니켈카드뮴전지의 에너지 용량을 개선한 니켈수소(Ni-MH)전지는 1990년에 개발되어 노트북 등과 같은 전자기기에 채용되었다. 이후 니켈계 전지의 성장이 한계에 도달하면서 1990년대 중후반부터는 리튬이온(Li-ion) 전지가 상업적으로 도입되어 현재는 대부분의 전자기기 이동 전원으로 사용되고 있다. 

차세대 리튬이온 전지로서 현재 한계를 뛰어넘는 리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 전고체 전지 등이 산업계 및 학계에서 활발히 연구 중이다. 

 

리튬이온 전지 산업은 기술 주도와 선점을 위해 지속적인 R&D 투자가 필요한 분야이다. 특히 전지 소재 개발에는 성능 차별화 요소로 밀도조절, 균일화, 안정화 등의 문제해결이 필요해 장기간이 걸린다.

 

리튬이온 전지는 생산원가 중 소재가 차지하는 비중이 매우 높고, 안정적 조달 관리가 필요하다. 시장 확대를 위해서 가격 인하 요구가 매우 크며, 리튬, 크롬, 니켈 같은 주요 원재료가 특정 국가에 편중된 문제가 있다. 따라서 리튬이온 전지 소재의 안정적 조달 및 가격 변동 관리가 매우 중요한 이슈이다.

 

본 리튬이온 전지의 심층 리뷰에서는 리튬이온 전지 및 관련 소재산업의 전반적 현황 및 미래 기술 동향으로부터 리튬이온 전지 관련 종사자의 시장 선점 노력을 소개하고자 한다. 리튬이온 전지의 시장과 소재(1편~2편), 리튬이온 전지의 제조와 성능 향상(3편~4편)을 리뷰하고자 한다. 모두 4편의 리뷰에서 리튬이온 전지의 시장 동향과 요구사양, 셀 제조 기술과 성능 향상, 소재 로드맵, 전지의 에너지형과 파워형 설계 디자인, 그리고 전지 시스템의 안정화를 위한 전지팩 기술 로드맵에 관한 내용을 소개하고자 한다. 

 

1편은 리튬이온 전지의 시장과 전지의 소재 구성을 주제로 먼저 리튬이온 전지 시장 동향을 국내외를 구분하지 않고 용량별 응용과 고정형, 이동형 형태의 응용으로 알아보았다. 또한 리튬이온 전지(팩) 분해하여 전지의 구성 소재 및 각 구성 소재의 무게를 통하여 소재 구성을 알아보았다. 이를 통하여 리튬이온 전지 시장의 성장 가능성과 구성 소재의 이해 관점에서 조사하였다. 

 

Ⅱ. 리튬이온 전지의 시장 동향

 

리튬이온 전지는 형상 구조에 따라 동전형, 원통형, 각형, 파우치형으로 구분할 수 있다(그림2). 과거에는 소형 동전형 전지가 주를 이뤘으나, 전기 자동차용 및 에너지저장 시스템(ESS)용으로 원통형, 각형, 파우치형 형태의 리튬이온 전지 수요가 급증하고 있다.

 

그림 3에 리튬이온 전지의 용량별 응용을 고정형과 이동형으로 나누어 도표화하였다. 리튬이온 전지는 전지 용량이 적은 스마트폰의 3Ah 클래스(예, 3Ah×3.8V=11.4Wh=0.01kWh)에서 60kWh의 전기자동차 또는 대형 변전소의 40MWh의 축전 시스템까지 폭넓게 사용되고 있다.

 

모바일용 전지의 용량을 1로 하여 응용 별 전지 용량을 비교하면, 전동공구류는 2배, 노트북은 7배, 전기 자전거는 100배, PHEV는 1,200배 용량의 전지를 사용한다. EV용 승용차와 버스는 모바일의 4,000~8,000배 전지 용량을 사용하며, 전지 무게는 약 500kg에 이른다. 고정형의 경우 중소형 의료용, 산업 및 정보용 전지의 용량은 약 100배, 태양전지 주택 저장용 전지는 200~300배, 풍력 및 태양전지의 대형 저장용 축전지(ESS)는 10,000배 정도이다. 

 

리튬이온 전지의 중량 당 (방전)용량을 나타내는 비용량(Wh/kg)을 보면, 소형 경량 모바일 기기의 비용량은 400Wh/kg, 자동차의 경우는 약 200Wh/kg 정도이다.

 

리튬이온 전지의 크기별 시장 동향을 살펴보면 다음과 같다.

 

1. 소형 리튬이온 전지(유비쿼터스용)

 

소형 리튬이온 전지는 5G 통신과 IoT(Internet of Things)용 IT 기기와 환경보호에 대한 규제 및 소비성향의 확대로 친환경·고효율이 요구되는 응용 영역에 필요하다. 예를 들어, 소형 리튬이온 전지는 휴대폰, 노트북, 태블릿의 3대 IT 기기 이외에 무선 이어폰, 전동공구, 전기 자전거, 전기 스쿠터 등의 전원용으로 활용된다.

 

COVID-19가 지속되면서 2021년 소형 리튬이온 전지의 수요는 불확실성이 존재하지만, 그림 4와 같이 전년 대비 25% 성장한 총 120억 셀(cell)을 기록할 것으로 전망된다. IT 시장에서는 AI(Artificial Intelligence)와 5G 서비스가 융합된 IoT 기술의 적용이 강화되고, 특히 무선 이어폰과 웨어러블 기기의 수요가 확대될 것으로 예상된다. 

2. ESS용 축전지(대형)

 

LIB 소형 전지 사업부터 이어온 이차전지 안전성을 기반으로 높은 시장 점유율을 기록하고 있으며, 전기 자동차에 공급되는 전지 기술력과 제조공법을 ESS용으로 사용함으로써 품질 신뢰성을 확보하고 있다. LIB 관련 회사는 일반 주택용부터 상업용, 전력용, UPS, 통신기지국에 이르기까지 폭넓은 제품을 갖추고 ESS 시장 진입을 준비하고 있다. 

 

지구온난화 및 이상기후 발생에 따라, 전 세계적으로 탈(脫)원전, 탈(脫)석탄 트렌드와 함께 신재생에너지에 관한 관심도 높아지고 있다. 이에 신재생에너지의 확대에 따른 에너지 저장, 정전 대비 비상전력 확보 등 효율적인 전력 수요관리를 지원하는 ESS의 역할이 더욱 중요해지고 있다. 

 

또한, 미국 바이든 정부 출범, 유럽 그린 딜, 국내 ‘재생에너지 2030 이행 계획’ 등 각 국가의 적극적인 친환경 정책 선언과 추진 계획 도입으로, 관련 산업의 성장과 함께 ESS 시장의 지속적인 수요 증대가 예상된다. 신재생에너지 도입 선진 시장인 국내 및 미국, 유럽 등은 대규모 실증 단계를 넘어 노후 전력망 대체, 신재생에너지 연계 GWh급 프로젝트 등장 등으로 시장 규모가 확대되고 있으며, 신흥국에서도 이러한 세계적인 흐름에 합류하는 추세이다. 

 

글로벌 리튬이온 전지 기반 ESS 시장은 그림 5와 같이 2020년 20GWh에서 2025년 127GWh로 연평균 45%의 고성장이 지속할 것으로 전망하고 있다. ESS용 전지의 사용처는 발전 및 송배전 등 전력용, 사무실이나 학교 병원 등 상업용, 태양광 연계 가정용, 그리고 전력 품질관리용 UPS 등이 있다.

 

파워 응용 시장에서는 원통형전지를 채용하는 Tesla를 중심으로 스타트업 전기 자동차 시장이 확대되고, Micro-Mobility 공유 서비스 증가에 따른 전기 자전거, 전기 스쿠터 등의 수요 증가가 예상된다. 

 

전 세계적인 연비 규제와 CO₂ 배출규제의 강화(‘그림 6. 글로벌 CO₂ 배출규제의 미국, 유럽, 일본, 중국의 예’ 참조)로 전기 자동차(xEV) 시장이 급성장하고 있다. 전기 자동차의 경우, 다양한 당면과제가 있다고 해도 세계적인 EV 화의 흐름은 2030년에 연간 2,000만 대, 전지의 총 양은 1,000GWh를 넘을 것으로 예측되고 있다.(계산 예; 50kWh/대×2,000만 대=1,000GWh, 그림 7 참고)

 

 

글로벌 시장에서 폭스바겐, GM, 도요타 등 자동차 기업들은 기존 내연기관차의 트렌드에서 벗어나 전기 자동차(HEV, PHEV, BEV)로 전략을 다변화하고 있으며, 특히 미국 테슬라 (TESLA)는 자동차 산업의 ‘애플(Apple)’과 같은 존재로 두각을 나타내는 중이다.

 

한국의 리튬이온 전지 기술 및 산업 지위는 ‘K-전지’라 불릴 정도로 올라갔으며, 정부는 현재 반도체 산업 수준으로 리튬이온 전지 산업을 육성하고 있다. 한국(LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션), 일본(파나소닉), 미국(테슬라), 중국(CATL 등) 등 많은 리튬이온 전지 기업들이 투자 확대 중이다.

 

EV 세일즈닷컴 자료에 따르면, 2019년 전기 자동차(BEV, PHEV) 판매실적은 220만 대를 넘긴 규모로 나타났으며, 2019년 총 신차 판매대 수 대비 전기 자동차(BEV, PHEV) 점유율은 2.5%로 나타났다. 이미 상용화 단계에 들어선 전기 자동차(xEV)는 2038년에 세계 신차 판매 대수의 50% 비중을 차지하게 될 것이며, 이후 2050년의 비중은 약 90%에 이를 것으로 예측된다. 

 

모델별 판매실적을 살펴보면(표 2), Tesla의 ‘Model 3’이 30만 대 판매로 점유율 14%이며, 2위 모델보다 약 3배의 점유율을 차지하였다. 

 

각국 정부들이 중장기적으로 연도별 전기 자동차(xEV) 보급 목표를 수립하고 보조금 지급, 충전 인프라 구축 등 다양한 활성화 정책을 적극적으로 펼치고 있기에 전기 자동차(xEV) 시장은 빠르게 성장하고 있다.

 

전기 자동차의 종류는 HEV, PHEV, EV가 있다.(그림 8)

 

전기 자동차는 전지 기술 발전과 인프라의 보급에 따라 하이브리드 전기 자동차(HEV)에서 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)와 순수 전기 자동차(BEV)로 점차 발전하고 있다. 각 전기 자동차의 특징은 다음과 같다.

 

 

 

Ⅲ. 리튬이온 전지(팩) 구성과 용량

 

구성된 고전압 고용량의 모듈 혹은 팩의 설계는 충전과 방전의 용이성, 전지 셀 무게에 대한 비용량을 설계할 수 있다. 리튬이온 전지가 전기자동차에 사용되기 위해서는 사용 환경, 온도 관리 및 충·방전 제어 등을 위하여 전지 관리시스템(Battery Management System: BMS)이 추가로 필요하다.

 

2. 리튬이온 전지(팩)의 가격과 무게 분해

 

2.1. 리튬이온 전지(팩)의 소재별 가격 분해

리튬이온 전지 가격은 리서치 자료에 따라 차이는 있지만, 아래 유진투자증권 자료를 참조하였다. GM에서 출시한 GM Bolt 모델 차량에 채용한 리튬이온 전지의 분석은 매우 상세하게 기술되어 있다. 볼트 자동차의 전지는 NCM을 양극재로 사용한 LG화학의 파우치형이다. 전지 용량은 그림 10, 표 6과 같이 60kWh이며, 1회 충전으로 383km 주행이 가능하다. 

 

전지 가격 변화를 살펴보면 그림 11과 같이, 2013년부터 2020년까지 리튬이온 전지(셀)의 가격은 668$/kWh에서 137$/kWh로 급격하게 감소하여 약 1/3이 되었으나, 자동차용 전지로 사용하기에는 여전히 고가이다.

 

GM Bolt 전기 자동차의 리튬이온 전지(팩) 가격은 2015년에 약 2,300만 원으로 추정되었다. 국내 차량 가격 4,750만 원의 약 50%에 육박하였다. 표 7과 같이 리튬이온 전지(셀)의 가격이 257$/kWh이지만, 패킹 비용 127$/kWh를 추가하여 384$/kWh까지 상승한 것으로 추정된다. 

 

큰 카테고리로 보면, 소재 비용 44%로 1,000만 원 정도, 패킹 비용은 24%로 550만 원, 인건비 1%, 상각비 15%로 350만 원, 운영비 15%로 360만 원이다. 소재 비용에서 양극재는 20%로 460만 원으로 가장 큰 비중을 차지하며, 분리막 9%, 음극재 7%, 전해질 4%, 기타 비용 4%이다.

 

2.2. 리튬이온 전지(팩)의 소재별 무게 분해

GM bolt로 추정되는 전지 무게를 분석해 보면(자료: 브룸버그와 유진투자증권), 표 8과 같이 자동차 전체 공차 중량은 1,620kg이고, 전지는 430kg으로 공차 중량의 약 25%이고, 전체 자동차 무게의 20% 이상을 차지하고 있다. 셀의 무게는 300kg이고, 기타 모듈과 패킹의 무게는 130kg이다. 

 

전지 비용량은 셀 무게뿐만 아니라 모듈과 패킹 무게도 포함하여 약 140Wh/kg으로 추정된다. 전지의 경량화 및 안전성을 위해서는 셀 무게뿐만 아니라, 모듈과 패킹(프레임 포함) 등의 셀 외장재 무게를 여하히 줄일 수 있는가는 각 사의 셀 설계 및 팩 디자인 노하우일 것이다. 셀 중에서도 양극재를 구성하는 주요 소재 무게는 약 54kg이다(니켈 15kg, 코발트 18kg, 망간 15kg, 리튬 6kg). 음극재의 주요 소재 흑연은 45kg 정도 소요하는 것으로 추정된다.

 

리튬이온 전지의 비용량을 고려할 때는 전지 팩의 구성요소를 모두 포함하여 고려하여야 한다. 하지만 아래 셀 무게에서 전극에 해당하는 구리의 무게를 극단적으로 50% 줄이고, 줄인 무게(양) 만큼 양극재를 늘린다면 비용량은 약 5~7% 증가할 것으로 추정할 수 있다. 

 

그러나 셀 전극 면적 감소는 전지의 비용량은 올려주지만, 전지의 열 방출과 충·방전 속도를 감소시켜 열폭주 발생과 같은 전지의 안전성을 낮출 수 있다. 따라서 전극설계는 매우 신중히 고려할 요소이다. 오히려 셀 전극 면적 감소보다는 전지(팩)의 안전을 보장하는 범위에서 비중이 낮고 강도가 높은 재질로 전지의 프레임이나 보호 캔의 중량을 감소시키는 편이 효과적일 수 있다.

 

Ⅳ. 결론