화학저널

LiB(Lithium-ion Battery)는 주로 모바일·IT의 소형·경량 전원으로 사용되면서 수요가 신장했고 최근에는 전기자동차(EV)를 중심으로 자동차용 수요가 급증하고 있다.
특히, 단순하게 자동차의 전동화에 기여하는 것이 아니라 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI) 등 미래기술과 융합함으로써 사회변혁을 주도할 것으로 예상되고 있다.
LiB는 1995년경부터 시장이 형성되기 시작해 2012년 세계 시장규모가 약 12조원에 달한 것으로 파악된다.
휴대폰, 노트북 보급을 타고 성장했으며 IT 시장의 성장과 함께 기술발전을 지속하고 있다.
체적당 에너지밀도는 매년 향상돼 처음 출시한 때에 비해 3배에 달하고 있다. 밀도 향상은 주로 음극 카본소재의 업그레이드로 이루어졌으나 최근에는 한계치에 도달해 새로운 기술 적용이 요구되고 있다.
LiB는 생산능력 확대 및 생산기술·수율 향상에 따라 제조코스트가 와트당 약 200원으로 LiB 양산을 시작한 1994년경에 비해 15분의 1 수준으로 떨어지고 기술 혁신으로 에너지밀도가 약 3배 향상됨에 따라 최근 가격이 출시 당시에 비해 3분의 1 수준으로 급락했다.

환경규제와 자율주행기술 발전으로 성장
LiB는 휴대폰, 노트북 등 모바일·IT기기의 소형·경량 전원으로 사용되면서 성장을 이어가고 있다.
특히, 2010년경부터 자동차용으로 투입되기 시작하면서 시장이 급격하게 확대된 것으로 파악되고 있다.
모바일·IT는 현재 스마트폰, 휴대폰, 노트북 등 소형 민간용이 주도하고 있으며, 자동차용은 미국 테슬라(Tesla)가 원통형 18650을 EV에 투입하면서 수요 신장이 기대되고 있다.
다만, 자동차용은 기대치에 비해 급격히 보급되지 못하고 있다.
코스트 및 주행거리 문제 등이 발목을 잡고 있으며 2014년 기준 닛산(Nissan)의 「Leaf」, 테슬라의 「Model S」 등 한정적인 차종에만 투입된 것으로 파악된다.
그러나 최근 EV 신규 출시가 잇따르고 있고, 특히 소극적이었던 유럽 자동차기업들이 2018년부터 강화되는 환경규제에 대비해 자동차의 전동화를 적극 추진하고 있을 뿐만 아니라 중국도 2015년 EV 시장이 본격 개화해 안정적인 성장을 지속하고 있고, 미국·유럽은 2018년부터 자동차에 대한 환경규제를 강화할 예정이어서 보급이 가속화될 것으로 예상되고 있다.
테슬라는 원통형 18650을 활용하는 독자적인 기술로 EV 시장에 진출해 Model S 이후의 차종에는 자율주행기능을 표준 탑재하고 있다.
현재 법규는 완전한 자율주행을 인정하고 있지 않으나 테슬라가 Model S를 활용해 실증실험을 추진하며, 2025-2030년경 완전자율주행 기술을 본격적으로 보급하기 위한 기술개발을 본격화하고 있다.

자동차, 기술 고도화와 공유화 “갈등”
자동차산업은 기술이 혁신적인 발전을 지속할 것으로 예상되는 가운데 첨단기술과의 융합을 통해 전동화가 진전되면서 2가지 방향으로 발전할 것으로 예측되고 있다.
먼저, LiB 기술 발전으로 주행거리 및 코스트 문제가 해결돼 자동차 전동화가 본격화한다는 시나리오가 제기되고 있으며 자동차의 지능화로 완전자율주행이 실현돼 자동차를 개인이 소유하는 것이 아니라 공유한다는 개념이 확산되고 전동화가 진전돼 무인택시가 등장할 것이라는 시나리오도 주목된다.
2가지 시나리오가 실현되면 EV는 환경보호에 기여하면서 공유화를 통해 획기적으로 코스트 부담을 저감시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.
자율주행기술 개발 로드맵은 4단계로 구분되고 있다.
2016년은 1단계에서 2단계로 이행되는 시기이며 테슬라의 Model S와 같이 3단계에 가까운 차종이 시장에 투입돼 조만간 3단계에 돌입할 것으로 예상되고 있다.
두번째 시나리오는 4단계가 실현됐을 때 탄생하는 것으로 지구환경에 기여할 수 있는 기술 및 관련제품은 소비자 부담을 수반하지만 해당 시나리오는 사회적·개인적 메리트를 양립한다는 점에서 주목되고 있다.
특히, 농어촌의 과소화 대책, 저출산·고령화 대책으로 작용하고 교통사고 및 교통체증을 격감시키는 등 사회적 메리트가 큰 것으로 파악되고 있다.
하지만, 2개의 시나리오는 실현하기 위한 요구조건이 상반관계에 있어 주목된다.
첫번째 시나리오를 실현하기 위해서는 자동차 주행거리와 코스트 문제를 해결해야 하는 반면, 두번째 시나리오는 무인택시가 주로 편도만 운행하기 때문에 1회 충전당 주행거리가 200km여도 충분히 대응할 수 있어 에너지밀도가 문제되지 않으며 공유화룰 통해 자동차 가격에 대한 부담이 줄어들기 때문에 코스트 문제도 해결할 수 있다.
반대로 무인택시는 연간 주행거리가 개인 소유 자동차에 비해 약 10배 많기 때문에 50만km 주행이 가능한 장기 내구성이 요구된다.
중장기적으로 2가지 시나리오 가운데 무엇이 실현될지 판단하기 어려우나 자동차 기술이 획기적인 발전을 거듭함에 따라 배터리 기술 개발도 지속적으로 이루어질 것이 확실시되고 있다.

화학기업, 배터리 소재 개발 경쟁
자동차용 LiB 기술은 1회 충전에 소요되는 코스트와 1회 충전당 주행 가능한 거리를 개선하는 것이 주요 과제로 에너지밀도 향상 및 코스트 절감이 요구되고 있다.
대부분 현재 적용되고 있는 LiB 기술을 업그레이드함으로써 생산기업들은 주행거리를 300-500km로 확대하는 것을 목표로 하고 있다.
2020년 출시 차종에 투입하기 위해 신규 양극재 및 음극재의 기술 검토가 이루어지고 있으며 양극재는 LiO2 등 니켈리치(Ni-rich) LNCM이 실현 가능성이 높은 것으로 파악된다.
음극재는 흑연과 소량 Si(실리콘) 합금과의 복합음극이 그대로 사용될 가능성이 높은 것으로 파악된다.
혁신전지는 기존의 LiB와는 상이한 시스템으로 공기전지, 황양극전지 등이 검토되고 있다. 현재 기초연구를 진행하고 있는 단계로 연구 진척상황에 따라 실용화 시기를 확정할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
고체 전해질은 기술 개발이 활발해 2011년 황계 고체 전해질이 전해액과 동등한 이온 전도도를 달성했으며 2016년에는 전해액 이온 전도도의 2.5배를 실현했다. 또 고체 전해질을 활용한 LiB의 특성을 규명해 과제였던 출력 특성, 저온 특성을 개선하고 있다.
다만, 양산기술을 전제로 한 전극설계, 전지설계에는 중요한 해결과제가 남아 있어 앞으로 연구개발을 통해 업그레이드를 지속함으로써 이온 전도도를 4배 가량 끌어올리면 획기적인 전극·전지 설계가 가능해질 것으로 기대되고 있다.
화학기업들은 LiB 시장이 성장함에 따라 배터리 소재에 주목하며 관련사업 확대를 추진하고 있다.
그러나 LiB는 소재 업그레이드가 계속 이루어졌음에도 불구하고 새로운 타입의 배터리가 상업화되지 못해 휴대폰, 태블릿PC, 전동공구, 무선가전, 드론, EV 등 다양한 용도에 공통적으로 사용되고 있다.

중국, LiB 핵심소재 장악력 확대
LiB 시장은 소니(Sony)가 1991년 처음 출시한 이후 Sanyo Electric, Matsushita Battery 등 일본 배터리 생산기업이 시장을 독점했다.
그러나 휴대폰 보급과 함께 2000년 이후 삼성SDI, LG화학, 중국 BYD 등이 부상함에 따라 일본기업들은 2010년 들어 국내기업에게 시장점유율을 추월당했고 현재 휴대폰, 노트북 등 민간용 LiB 생산비중은 국내기업이 40% 이상이며 중국기업이 30% 이상, 일본기업은 30% 미만으로 나타나고 있다.
자동차용은 중국의 보조금 제도에 힘입어 전기버스용 생산량이 폭발적으로 늘어남에 따라 2016년 기준 중국의 LiB 시장점유율이 생산량 기준 65%로 상승하고 전기버스용이 약 50%를 차지한 것으로 파악되고 있다.
LiB는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 등이 핵심소재로 일본기업들이 독점해왔으나 중국 LiB 생산기업들이 생산능력을 확대함에 따라 중국산이 시장에 유입되기 시작했으며 2010년경에는 국내 LiB 생산기업들이 중국산 소재 채용을 시작해 중국산의 시장점유율이 급격하게 높아지고 있다.
중국산 LiB 소재의 점유율은 분리막 30%, 양극재 40%, 음극재 70%, 전해액 70%로 나타나고 있다.
음극재와 전해액 점유율이 높은 것은 중국에 원료인 흑연과 형석 매장량이 풍부하기 때문인 것으로 파악되고 있다.
양극재는 최근 고용량화를 목표로 삼원계 신소재가 등장하고 있다.
현재 한국, 일본, 벨기에기업들이 선행하고 있으며 중국은 아직 삼원계 소재 양산을 실현하지 못한 것으로 알려졌다.
분리막은 배터리의 안전판 역할을 하며 일찍이 일본기업이 과점했으나 최근 중국 전기버스 시장이 급격히 성장함에 따라 중국산의 점유율이 확대되고 있다.

코스모, LG화학과 핵심소재 공동개발
국내기업들도 LiB 핵심소재 사업 육성에 적극 나서고 있다.
코스모신소재는 2016년 9월 산업통상자원부 주관으로 현대자동차, LG화학 등이 참여하는 전기자동차(EV)용 「고밀도 2차전지 개발 프로젝트」에 참여한 것을 계기로 EV용 하이니켈계 양극재를 증설하기 위해 11월 1000만달러 상당의 외국인투자자금을 유치한 바 있다.
LCO(LiCoO2)로 축적한 기술력을 바탕으로 EV용 배터리 등 중대형 배터리에 사용되는 양극재를 개발하고 있으며 100만달러를 투자해 중국기업과 Shandong New Powder Cosmo를 설립함으로써 글로벌 경쟁력 강화를 목표로 하고 있다.
고밀도 2차전지 개발 프로젝트에는 양극재 부문에 코스모신소재, 포스코ESM이, 음극재는 포스코켐텍, 일진전기, SJ신소재가 참여하고 있으며 전해액 분야에는 엔켐과 에스티팜, 세라믹 코팅 분리막 기술 개발에는 더블유스코프코리아, 수산고분자가 참여하고 있다.
LG화학은 2016년 10월 GS이엠의 양극소재 생산설비, 인력 등 유무형 자산 일체를 인수하는 영업 양수도 계약을 체결하며 전구체-양극재-배터리 수직계열화를 추진해 배터리 경쟁력을 강화했다.
유럽 및 미국 자동차기업들이 2020년 전후 투입을 본격화할 것으로 예상되는 EV 등 차세대 친환경 자동차는 고용량·고밀도화가 필수불가결해 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되고 있기 때문이다.

LG·삼성, 중국 견제로 성장 “제약”
LiB는 휴대폰용 시장규모가 18억개로 가장 크지만 2013년 이후 성장이 둔화되고 있다.
노트북용 출하량은 2010년 iPad가 등장하고 LiB 용량이 커져 노트북 1대당 탑재수가 감소함에 따라 줄어들고 있다.
디지털 카메라 용도는 2010년대 들어 줄어들고 있다.
최근 몇년 동안에 성장이 두드러지는 분야는 전동공구로 니켈·카드뮴전지, 니켈수소전지에 비해 중량이 가볍기 때문에 무선화를 실현할 수 있어 LiB 투입이 확대되고 있다.
자동차용은 급격한 성장세를 나타내고 있으며 LiB 출하량 기준으로 전체의 20% 정도를 차지하고 있으나 휴대폰용에 비해 부피가 크기 때문에 에너지용량 기준으로는 2016년 전체의 40%를 넘어선 것으로 나타나고 있다.
특히, 2015년 시작된 중국 정부의 신재생에너지 보조금 제도에 따라 중국에서 전기버스용 수요가 급격히 늘어나면서 세계적으로 승용차용 수요를 뛰어넘은 것으로 파악된다.
중국이 2020년까지 보조금 제도를 시행할 예정이어서 정책에 따라 자동차용 시장구도가 크게 변화할 것으로 예상되고 있다.
그러나 LG화학, 삼성SDI 등 국내기업들은 중국시장 진입이 어려워져 성장시장에서 점유율을 확대하는데 난항을 겪을 것으로 파악되고 있다.
중국은 2015년 EV에 450달러 상당의 보조금을 지급하는 등 대대적인 지원을 펼치고 있어 보조금 없이는 판매가 불가능한 구조이나 2016년 1월 발표한 1차 보조금 지급 목록에서 LG화학과 삼성SDI의 배터리를 장착한 전기버스를 제외한 후 2-4차 목록에서도 계속 포함시키지 않았으며 5차 발표에서는 승용차까지 모두 제외시켰기 때문이다.

Sumitomo상사, 글로벌 서플라이체인 강화
일본기업들은 주로 배터리 소재 수출에 집중했으며 Sumitomo상사는 약 40년 이상 배터리 소재 관련사업에 주력하고 있다.
Sumitomo상사는 1980년대 망간건전지 소재인 전해이산화망간 수출을 시작해 알칼리건전지의 아연가루를 판매했으며, Matsushita Battery(파나소닉)와 Sanyo Electric이 워크맨 등에 사용되는 검형 니켈수소전지를 출시함에 따라 1990년대에는 양극발포 니켈, 음극수소 흡장합금 판매를 실시했다.
1991년에는 소니가 세계 최초로 LiB를 출시하자 1990년대 후반부터 코발트산 리튬, PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 바인더, PE(Polyethylene) 분리막, 흑연, 전해액 등 소재를 아시아 주변국으로 공급하기 시작했다.
Sumitomo상사는 LiB에 직접적 혹은 간접적으로 관련된 비즈니스를 다양한 형태로 전개하고 있다.
아시아 시장에서 오랜 기간 동안 축적해온 경험과 판매망을 바탕으로 시장 및 배터리 생산기업들의 동향을 파악하며 판매전략을 제안하는데 주력하고 있으며, 중국에서는 2004년부터 Morita Chemical과 함께 전해액의 원료인 전해질 육불화인산리튬(LiPF6)을 공급하고 있다.
육불화인산리튬 제조·판매를 담당하는 중국법인을 설립해 중국 수요 증가에 대응한 공급체제를 확립하고 경쟁기업에 앞서 현지 생산거점을 확보했다.
한때 중국 신흥기업과의 치열한 경쟁을 벌였으나 중국 수요가 급증할 것으로 기대하고 생산능력 확대를 지속할 방침인 것으로 알려졌다.
중국 육불화인산리튬 사업은 당초 Morita Chemical의 중국 진출을 지원하기 위한 것이었으나 현재는 중국 배터리 소재 판매망과의 시너지를 통해 본격 성장하고 있다.
Sumitomo상사는 마다가스카르의 Ambatovy에서 양극재의 원료인 각종 니켈지금을 생산하고 있으며, 닛산자동차와 합작한 4r-Energy를 통해 배터리 리사이클 사업에도 참여하고 있다.
그동안 LiB 시장에서 쌓아온 경험, 네트워크, 배터리 소재에 관한 노하우를 활용해 자동차용 LiB 관련 분야에서 소재 생산기업과 사업 기회를 확대해나가는 것을 목표로 하고 있다.
<화학저널 편집팀>