생활 속에서 배터리의 중요성이 나날이 커지고 있는 가운데 삼성전자가 2016년 8월 신규 출시한 스마트폰 갤럭시노트7의 발화 사고는 큰 충격을 안겨주었다.
LiB(Lithium-ion Battery)는 판매된 지 30년 이상 경과돼 민수용에서 자동차용까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있으며 전기자동차(EV)의 본격적인 보급으로 시장이 급성장할 것으로 예상되고 있다.
그러나 삼성전자의 스마트폰 발화 사고로 안전성에 우려를 제기하는 목소리가 적지 않으며 배터리의 안전성을 고차원적으로 확립하기 위해 소재, 배터리, 최종제품 부문에서 철저한 조율작업이 요구되고 있다.
삼성전자는 갤럭시노트7 출시 직후 본체 발열에 따른 발화 사례가 잇따르고 항공기 반입이 제한되는 등 사회적인 문제로 발전함에 따라 10월11일 생산·판매를 중단한다고 발표했다.
배터리 발화 사고는 인명과 관련된 문제인 만큼 브랜드 이미지를 회복하기 쉽지 않고 경쟁기업의 스마트폰으로 구매를 전환하는 고객이 속출해 경영에 큰 타격을 입을 것으로 우려되고 있다.

삼성전자, 안전성 확립이 시급
삼성전자는 자체적으로 사고 원인을 조사한 결과 갤럭시노트7의 발화사고 원인을 배터리 불량인 것으로 결론지었다고 2017년 1월23일 발표했다.
산업통상부 국가기술표준원도 갤럭시노트7 1차·2차 리콜의 사고 원인이 배터리의 구조와 제조공정상 불량이 복합적으로 작용한 것으로 추정된다고 2월6일 밝혔다.
스마트폰 자체는 발화 원인으로 지목되지 않았으며 전력 제어회로, 배터리 보호회로, 외부압력, 스마트폰 내부 배터리 장착 공간 부족 등 여러 발화 예상요인에 대한 조사에도 특이사항이 없는 것으로 확인됐다.
갤럭시노트7 기기 본체의 구조 설계상 문제 및 소프트웨어 오류가 발화의 원인이라는 일부 지적과는 다른 내용이다.
삼성전자는 갤럭시노트7 발화 원인 규명으로 불확실성은 완화됐으나 안전성 확보를 위한 노력을 통해 실추된 이미지를 회복하는 것이 시급한 것으로 지적되고 있다.

LiB, 시동용 등장에 납축전지 대체까지…
LiB는 EV의 동력원이나 하이브리드자동차(HEV)의 구동용 배터리 등으로 사용되고 있다.
구동용 배터리는 높은 출력성능이 요구되고 있으나 앞으로는 이동체의 시동용 배터리로서 활용될 것으로 예상되고 있다.
Eliiy Power는 이륜차의 시동용 LiB 「HY93」를 Honda가 판매하고 있는 스포츠 바이크에 투입하고 있다.
해당 LiB는 현재 주류인 납축전지를 대체하는 것이 가능하며 납축전지에 비해 경량화를 실현할 수 있고 -10℃에서 65℃까지 온도범위가 넓은 것이 강점으로 파악되고 있다.
이에 따라 저온일 때에도 엔진을 문제없이 시동시킬 수 있어 시동용 배터리의 표준제품이 될 가능성을 내재하고 있는 것으로 평가되고 있다.
GS Yuasa는 승용차 시동용 LiB의 개발을 지속하고 있다. 경량화를 실현하고 연비 향상에도 기여하는 만큼 조기에 출시하는 것을 목표로 하고 있다.

중국이 주요 4개 소재 시장을 장악
LiB는 현재 중국 EV 시장이 성장을 견인하고 있다.
중국 정부는 2020년까지 EV 등 차세대 친환경 자동차  500만대 보급을 목표로 하고 있으며 EV 및 전기버스 등의 도입이 급격하게 진전되고 있다.
EV 보급의 경제효과는 LiB 셀 생산기업은 물론 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 LiB의 주요 4개 소재를 제조하는 중국의 소재 생산기업에도 파급을 미치고 있다.
야노경제연구소에 따르면, 중국은 2015년 주요 4개 소재 시장점유율이 양극재 62.6%, 음극재 75.2%, 전해액 75.3%, 세퍼레이터 44.8%에 달하고 있다.
이밖에 자동차는 파나소닉의 LiB를 탑재한 미국 테슬라(Tesla)의 EV 「Model S」 및 Mitsubishi Motors의 플러그인하이브리드(PHEV) 「Outlander」 등의 매출이 꾸준한 것으로 나타나고 있다.

항속거리 향상 중심으로 연구개발 “활발”
자동차용 LiB는 항속거리 연장을 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다.
중국에서는 양극재에 인산철리튬을 사용한 LiB가 주류를 이루고 있으나 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 3원계 양극재가 주역으로 부상할 것으로 예상되고 있다.
Sumitomo Chemical(SCC)은 니켈, 코발트, 망간으로 구성된 3원계 양극재를 개발하고 있다.
3원계는 일반적으로 동등 비율로 배합하나 SCC는 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함유량을 높일 계획인 것으로 알려졌다.
배터리의 고용량화를 위해서는 음극재 성능 개선도 필수적인 것으로 파악된다.
음극재는 탄소계가 많이 사용되고 있으나 이론상 리튬을 10배 이상 많이 축적할 수 있어 LiB의 에너지 고밀도화가 기대되는 실리콘(Silicone)계도 주목받고 있다.
그러나 실리콘계 음극재는 충전할 때 체적 변화가 크고 팽창과 수축을 반복함으로써 열화하는 문제점이 있어 취급이 매우 어려운 것이 과제로 지적되고 있다.
Toray는 금속 기판과 실리콘 활물질을 결착시키는 수용성 PI(Polyimide) 바인더를 개발해 실리콘 혼합비율을 기존 5-10%에서 50% 정도까지 높이는데 성공한 것으로 알려졌다.

납축전지, 발전 거듭해 내구성 1.5배로…
납축전지는 대중적인 배터리로 평가되고 있으나 아이들링 스톱(IS) 자동차가 대두됨에 따라 발전을 거듭하고 있다.
IS 자동차는 엔진 정지 후 재시동할 때 배터리에서 대량의 전력을 방출하며 주행할 때 단시간에 전력을 축적해야 하기 때문에 자동차용 납축전지는 내구성과 충전성능 향상이 요구되고 있다.
이에 따라 납축전지 생산기업들은 IS 자동차용 신제품을 잇따라 출시하고 있다.
Nissan Motors는 2016년 8월 판매를 시작한 「Serena」에 GS Yuasa의 IS 자동차용 납축전지를 채용하고 있다.
해당 배터리는 음극활물질 탄소 첨가 기술 및 전해액에 신규 첨가제를 채용함으로써 높은 회생 충전성능을 실현한 것으로 알려졌다.
아울러 양극활물질의 고밀도화와 열화 억제 첨가제 기술, 음극 이부에 대한 내식성 합금 표면 피막 처리를 실시함으로써 내구성을 대폭 향상시키는데 성공했다.
Hitachi는 IS 자동차용의 납축전지로서 「Tuflong G3」를 판매하고 있다.
Tuflong G3는 소재 기술을 개선해 열화 요인인 전해액의 성층화 현상을 억제하는데 성공했으며 기존제품에 비해 내구성을 1.5배까지 높인 것으로 알려졌다.

SD, 자동차용 성능 향상에 “집중”
Showa Denko는 성장이 기대되는 PHEV 및 급속 충전 상용차, IS용 등을 중심으로 수요를 확보하고 있다.
음극재를 비롯한 5개 소재의 고용량, 저저항, 장수명에 기여하는 특성을 활용해 시장을 개척하고 있다.
LiB 소재는 음극재 「SCMG」를 비롯해 양·음극 도전조제 「VGCF」, 배터리 포장소재용 알루미늄 라미네이트 필름 「SPALF」, 카본 코팅 알루미늄 박 「SDX」, 음극재용 수계 바인더 「Polysol」 등 5개 상품을 라인업하고 있다.
Showa Denko는 자동차용 LiB에 대한 채용이 호조를 지속하고 있어 사업을 확대하기 위해 공급체제를 강화할 방침이다.
SCMG는 Omachi 공장의 생산능력을 50% 가량 확대해 2016년 말 1500톤 체제를 구축하고 중국에서 위탁생산도 시작했으며, VGCF는 Kawasaki 공장 생산능력을 기존 200톤에서 2017년 말까지 300톤으로 확대한다.
음극재로 실리콘-탄소 복합소재를 신규 개발했다.
실리콘-탄소 복합소재는 SCMG 표면에 실리콘 입자가 부착되고 탄소 피복재를 지닌 구조로 충전·방전에 따른 체적 변화가 적고 기존 실리콘계에 비해 사이클 특성을 높인 것으로 알려졌다.
1회 충전으로 많은 전력을 저장할 수 있고 항속거리를 대폭 향상시킬 것으로 기대되고 있다.
2017년 Omachi 공장에 파일럿 설비를 설치하기 위해 제조 기술의 확립을 가속화한다.
EV 시장은 보조금 정책에 힘입어 급속도로 성장하고 있는 중국에 이어 앞으로는 유럽, 미국에서도 환경규제가 더욱 강화됨에 따라 시장 동향을 주시하며 판매·공급체제를 정비할 방침이다.

Morita, 중국에 LiPF6 2공장 건설
Morita Chemical은 육불화인산리튬(LiPF6)시장을 장악하고 있다.
최근 중국 Jiangsu에 신규공장을 건설하기로 결정했으며 2017년 11월 가동을 목표로 하고 있다.
앞으로 Jiangsu에서 LiPF6 5000톤 생산체제를 구축함으로써 Zhangjia 공장과 합쳐 전체 생산능력을 1만톤으로 확대한다. EV의 보급 등 LiB 시장 확대에 따른 수요 증가에 대응해 나갈 계획이다.
Morita Chemical은 2004년 Jiangsu에서 Sumitomo상사와 70대30 합작으로 중국시장에 본격 진출했다.
LiB 시장이 성장함에 따라 생산능력을 지속적으로 확대해 세계 최대규모인 5000톤 생산체제를 구축하고 있다.
LiPF6은 세계 시장규모가 약 1만2000톤으로 Morita Chemical이 절반 가량을 차지하고 있는 것으로 파악된다.
Morita Chemical과 Sumitomo상사는 EV를 비롯해 스마트폰 등으로 LiB 시장이 확대되고 있는 가운데 Zhangjia 공장은 풀가동을 지속하고 증설 여력도 없기 때문에 2번째 생산거점으로써 Jiangsu의 Taixing에 70대30으로 30억엔 가량을 출자하기로 결정했다.
인프라가 정비돼 있는 Taixing 지역에서 약 6억7000평방미터의 토지를 확보해 2017년 3월 생산허가를 취득한 후 11월 1200톤 생산설비를 가동하고 수요 동향에 따라 5000톤으로 확대할 계획이다.

UK, 분리막 사업 적극 육성
Ube Kosan은 분리막과 전해액을 중심으로 LiB 소재 사업을 추진하고 있다.
자동차용 LiB의 수요 증가에 대응해 Sakai 공장에서 증설을 추진하고 있으며 2018년 4월 Sakai 공장과 Ube Chemical 공장의 생산능력을 총 2억5000만평방미터로 확대해 공급체제를 강화함으로써 수요를 확보하고 시장에서 존재감을 강화할 방침이다.
분리막은 건식공법으로 제조하며 자동차용으로도 채용실적을 쌓고 있다.
Hitachi Maxell과 합작한 Ube Maxell을 통해 고기능 도포형 분리막을 생산하고 도요타(Toyota Motor)의 프리우스 4번째 모델에 LiB를 투입하는 등 국내외에서 판매를 확대하고 있다.
EV 및 PHEV의 수요 신장에 대응하기 위해 자동차용 공급체제를 강화하고 있으며 2020년까지 생산능력을 3억평방미터로 확대할 계획이다.
전해액은 판매량이 매년 증가하고 있으나 신흥기업들이 등장하며 가격경쟁이 치열해지고 사업환경이 어려워짐에 따라 2017년 4월부터 중국에서 Mitsubishi Chemical(MCH)과 50대50으로 합작사업을 추진한다.
Ube Kosan과 MCH는 뛰어난 전해액 첨가제 기술을 보유하고 있으며 상호 협력함으로써 시너지를 창출해 경쟁력을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.
아울러 중국에 이어 다른 국가에서도 상업 화개발을 포함한 포괄절 제휴에 대한 발전 가능성도 검토해나갈 방침이다.

DS, 종합 솔루션 제공에 주력
Daiichi Seiyaku는 LiB 관련 소재의 사업화를 가속화하기 위해 2016년 4월 연구부문이 채용 제안을 선도하는 체제를 정비하고 6개월 동안 보유기술을 재점검했다.
기존사업에서 쌓아온 수지 변성 기술 및 계면활성제 기술을 바탕으로 개발한 전극 첨가제 및 전해질 소재 등 다양한 소재를 통해 LiB의 고부가가치화 및 안전성 향상을 주제로 연구개발을 추진하고 토탈 솔루션을 제공하는데 주력할 방침이다.
Daiichi Seiyaku는 4월 조직재편을 통해 각 사업부에 분산돼 있는 LiB 소재 개발 관련 연구개발부에 부문간 연계를 주도하는 담당자를 배치하고 커뮤니케이션 기능을 강화함으로써 복수의 개발소재를 함께 제안할 수 있는 체제를 정비했다.
뛰어난 용해성, 분산성을 발휘하는 CMC(Carboxy Methyl Cellulose)는 음극용 분산제로써 채용실적이 확대되고 있다. 또 CNF(Cellulose Nano Fiber) 신제품인 「Rheocrysta」의 배터리 소재에 대한 응용은 정부 지원사업에 채택돼 개발이 활발히 이루어지고 있다.
상온 속에서 액체 상태인 FSI 이온 액체 및 전해액이 누출되는 것을 방지하는 겔 폴리머 등 배터리의 안전성 향상을 실현하는 전해질 소재도 개발하고 있다.
회로 기판용 봉지재 개발을 통해 쌓아온 우레탄(Urethane)계 소재는 방열성 및 내충격성이 뛰어나며 배터리 모듈 주변 소재로 투입하는 것을 목표로 한다.
중형·대형 배터리의 시험제작 및 배터리 특성 평가를 실시하는 자회사를 산하에 두고 있는 강점을 활용해 평가 데이터를 제공하고 대학 및 말단 소비자 등 오픈 이노베이션도 가속화할 방침이다.

Honjo, 오픈 이노베이션으로 포스트 LiB를…
Honjo Chemical은 외부와의 공동연구를 통한 오픈 이노베이션을 추진력으로 LiB용 전극 기판의 재구축에 적극 나서고 있다.
Honjo Chemical은 합성 분야 메이저로서 유기전자소재 및 의약 시장에서 존재감을 강화하고 있는 정밀화학기업이다.
컴퓨터 및 휴대폰 보급 등으로 LiB 수요가 급증한 1990년대에 배터리 시장에 진출했으며, 1922년 창업 당시 시작한 아연 제조에서 쌓아온 노하우를 기술 기반으로 삼고 있다.
해당 기술은 건전지 소재 생산을 거쳐 고도 경제성장기에는 일본 최초의 리튬 금속 및 각종 리튬염 사업으로 성과를 거두었으며 90년이 넘는 기간 동안 축적해온 노하우를 활용해 LiB용 등 다양한 소재를 제공함으로써 수요처의 신뢰를 쌓고 있다.
LiB는 친환경 자동차 및 태양광발전 등 자연 에너지의 축전지로서 세계적으로 주목받고 있으며 각국의 배터리 생산기업들이 치열한 기술경쟁을 펼치고 있다.
이에 따라 혁신이 요구되는 시대에 차세대 배터리를 개발하기 위해 Honjo Chemical과 공동연구를 추진하고 있는 관련기업이 증가하고 있는 것으로 파악된다.
<이하나 기자: lhn@chemlocus.com>