산업교육연구소가 최근 이틀 동안 서울 여의도 소재 사학연금회관에서‘미래형 배터리 및 핵심소재, 재료 최신 기술개발과 시장분석 세미나’를 열었다.


세미나에서 HMC투자증권의 노근창 이사는‘미래형 배터리 및 관련 신소재 산업실태와 국내외 시장규모·참여기업체 현황’이라는 주제로 발표했다.


노근창 이사는 최근 IT수요 위축이 본격화되고 있는 가운데 모바일 기기의 수요가 감소돼 2차 전지가 위축될 것을 예상했는데, 이는 2015년과 2016년 Tablet PC의 수요가 급감돼 스마트폰 성장성의 둔화가 본격화된 것에 기인한다며, 새로운 모바일 어플리케이션에 대한 준비가 필요하다고 발표했다.


전기차 확산을 위한 배터리 기술 혁신의 필요성에 대해서는, 전기차 확산에 걸림돌이 되는 것은 충전소 부족과 배터리 용량이라며, 전기차용 리튬이온 전지 가격은 제조원가의 25% 수준으로 여전히 높은 상태라고 말했다.
리튬이온 전지의 양극에는 Li계 금속(니켈, 코발트 또는 망간) 산화물을, 음극에는 탄소를, 전해액으로는 유기용매를 사용하고, 산화·환언에 참여하는 것은 리튬이온이 아닌 코발트라고 발표했다.


리튬이온폴리머는 누액문제 해결을 위해 액산의 전해질 대신 고체 또는 겔 상태 전해질을 사용한다.
또 노근창 이사는 리튬이온 전지가 IT, 전기차, ESS를 중심으로 성장할 것을 예상했다.
2015년 리튬이온 전지의 경우 어플리케이션은 여전히 IT제품이 될 것이고, IT제품의 경우 산업 전반적인 공급과잉으로 인해 가격 하락세가 지속될 것으로 전망했다.


리튬이온 전지시장은 2020년까지 CAGR 24.3% 성장하고, xEV·ESS용 리튬이온전지 시장은 CAGR 66.3% 성장할 것으로 전망했다.


국내 2차전지 핵심소재 업체들에 대해 언급했는데, 양극활물질을 다루고 있는 업체로는 대정화금, 에코프로 등을, 전해액을 다루고 있는 업체로는 솔브레인, 파낙스이텍, LG화학을, 음극활물질을 다루고 있는 업체로는 포스코켐텍, GS칼텍스, SK이노베이션을, 분리막을 다루고 있는 업체로는 톱텍, SK이노베이션을 제시했다.
핵심소재 동향에 대해서는, 2차 전지가 양극활, 음극활, 전해액, 분리막이 원재료 비중의 75%를 점유했고, 양극활물질 등 주요 소재에 대한 국산화 비중이 상승세에 있다고 발표했다.


한편 양극활물질은 금속염의 구성성분에 따라 LCO, NCM, NCA, NMO, LFP 등으로 구분된다.
LCO는 에너지용량과 수명특성이 양호해 상업화 초기부터 광범위하게 사용돼 왔으나, 2007년부터 원가절감과 안전성 강화를 위해 NCM으로 대체 추세고, LMO와 LFP는 경제성과 안전성이 우수해 전기차용 리튬전지에 일부 적용 중이다.
일본과 한국의 선발업체는 전기차용 양극활물질로 LMO계 개발 중이고, 미국과 중국의 후발업체는 LFP에 집중하는 양상을 보인다.


음극활물질은 인조흑연계, 천연흑연계, 저결정성 탄소계와 금속계 등으로 구분되는데, 탄소재료는 열처리온도에 따라 고결정성 탄소와 저결정성 탄소로 분류되고, 인조흑연은 2,500℃ 이상의 고열로 고결정 구조를 만들기 때문에 천연흑연보다 조직이 안정돼 수명이 2~3배 우수하다.


리튬전지 판매가격 하락이 지속되자 고가의 인조흑연에 저렴한 천연흑연을 혼합해 사용되는 추세지만, 전기차용에서는 성능 향상에 유리한 인조흑연의 사용이 확대되는 추세며, 전통적인 탄소산업 강국으로 열처리 기술이 우수한 일본과 광물자원이 풍부한 중국이 각각 인조흑연과 천연흑연 시장을 주도하고 있다.


분리막과 전해액 시장 점유율에 대해서는, 습식 분리막은 일본 업체들의 과점 구조에 SK이노베이션이 성공적으로 진출했고, 건식은 미국 Celgard가 지배했다고 발표했다.
한편 다공성 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 필름인 분리막은 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분되며, 표면에 무기물을 코팅해 안전성을 향상시킨 강화막이 등장했다.


노근창 이사에 따르면, 습식막은 분리막의 성형과정에서 첨가한 가소제를 유기용매로 추출할 때 발생한 기공을 연신해 확장한 것으로 강도, 탄성, 두께·기공균일도 등이 우수하다.
건식법은 압출 필름을 저온에서 연신해 결정계면에서 미세 균열을 발생시키는 방식이며, PP·PE·PP의 3층(Tri-layer) 구조를 주로 저가격·고출력용에 사용된다.


강화막은 폴리올레핀 수지의 기계적·열적 특성을 보완하고자 다공성 고분자막의 표면에 세라믹 입자층을 형성시켜 고온에서도 분리막의 기계적 수축을 방지한 제품이다.


리튬이온전지 전해액은 유전율·점도가 높은 고리형 카보네이트(Cyclic Carbonate)계와 유전율·점도가 낮은 사슬형 카보네이트(Chain carbonate)계가 혼합된 공용매에 전해질인 리튬 염을 일정 농도로 용해해 제조한다.
기본용매는 유전율이 높아 리튬염을 녹여 양이온과 음이온을 쉽게 분리(해리)시킬 수 있으나, 점도가 높아 전해액 내에서 리퓸양이온의 빠른 이동에 불리하다.


다양한 종류의 리튬염 중에서 간단한 구조의 LiF 등은 상업적으로 적용되지 않고, 음이온의 크기가 크고 이온전도도가 우수한 LiPF6를 상업용 전해액의 산업표준으로 사용한다.


리튬염은 이온결합을 이루기 때문에 유전상수가 큰 물에는 쉽게 녹지만 유기용매에서는 용해도가 급격히 저하되고, 음이온의 사이즈가 큰 경우에 음이온의 이동도가 감소하므로 전지의 반응에 필수적인 리튬 양이온의 이동도가 향상된다.
한편 업계에서는 요구특성에 가장 적합한 LiPF6를 상업용 전해액의 산업표준으로 이용했고, 국내 전해액 업체는 일본 Stella Chemifa, Kanto Denka, Morita Chemical에서 LiPF6를 공급반아 왔으나 2009년 후성에 의해 국산화가 완료됐다.


전해액에는 전지의 수명향상과 안정성 확보를 위해 다양한 종류의 유기 첨가제가 사용되는데, 최초 충전 시에 음극에서 전해액이 분해되기 이전에 첨가제인 Vinylene carbonate와 Propane sultone 등이 먼저 반응하므로 전지의 수명이 향상되고, 리튬전지의 과충전 시 발화를 억제하는 첨가제로는 Biphenyl, Cyclohexyl benzene 등을 사용한다.

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