녹색산업 선도형 차세대 전지 및 분리막 개발 동향_179

녹색산업 선도형 차세대 전지 및

분리막 개발 동향

성균관대학교 | 강수정 박사

Ⅰ. 개 요 ········································································ 181

1. 이차전지 개발의 필요성 ········································ 181

2. 이차전지 분리막의 역할과 비중 ··························· 182

Ⅱ. 동향 분석 ································································· 182

1. 국내 동향 ································································ 182

2. 해외 동향 ································································ 185

Ⅲ. 향후 전망 ································································· 186

<참고문헌> ······································································· 187

녹색산업 선도형 차세대 전지 및 분리막 개발 동향_181

녹색산업 선도형 차세대 전지 및

분리막 개발 동향

성균관대학교 | 강수정 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 이차전지 개발의 필요성

화석연료 고갈로 인한 에너지 수급 불안정, 온실가스 배출로 인해 지구온난화가 심화되고

있어서 세계 각국은 효율적으로 에너지를 저장하고 활용하기 위해 전기자동차, 스마트그리드 등의

기술개발에 매진하고 있다. 각국 정부는 태양광, 풍력 등 신재생에너지와 원자력의 보급을 확

하려는 정책을 시행하고 있으며, 에너지원의 다변화 과제와 함께 지속적인 고품질 전력에 한

요구 증 및 전력산업, 가스산업의 규제철폐와 구조조정이 진행되고 있는 현 상황에서 청정

에너지를 이용한 분산전력 시스템을 적극적으로 도입하고 있다.1)

이차전지 산업은 시장전망이 밝은 핸드폰, 노트북, 캠코더 등 모바일 IT산업 성장에 의해 전망이

매우 밝으며, IT산업, 자동차산업, 부품소재산업 등 다양한 산업적 관점에서 발전 가능성이 있다.

또한 우리나라의 산업 특성을 고려했을 때 비교적 시장 진출이 쉽고 기반 산업의 경쟁력 유지,

강화에 반드시 필요하다.

표적인 이차전지에는 납축전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 리튬이온

(Li-ion)전지, 리튬이온폴리머(Li-ion polymer)전지가 있으며, 리튬이온전지 및 리튬이온폴리머

전지가 시장을 주도하고 있는 실정으로 리튬계 이차전지가 주력제품으로 부상하고 있다. 리튬이온

전지는 전해질의 종류에 따라 리튬이온전지(LiB, 액상형 전해질)와 리튬폴리머전지(LiPB, Gel

또는 고체 고분자 형태의 전해질)로 구분되며, 전지의 형태에 따라 원통형과 각형으로 구분된다.2)

(a) 원형 리튬이온전지 (b) 각형 리튬이온전지 (c) 리튬 폴리머전지

자료 : 산업리스크분석보고서 “리튬 이차전지 산업 동향”, 한국수출입은행 해외경제연구소, 2011.8.

<그림 1> 리튬이온전지의 종류

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모바일IT 시장이 성장함에 따라 차세 이차전지 산업은 향후 발전 가능성이 매우 높은 산업

으로서 주로 휴 형 디지털 전자기기의 전원으로 사용되는 리튬이차전지가 선도할 것으로 예상

되며, 환경, 경제, 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 21세기 국가 핵심경쟁 요소이므로

개발이 필수불가결한 중요 기술이다.

2. 이차전지 분리막의 역할과 비중

중 형 이차전지 시장이 본격적으로 성장함에 따라 고용량, 고출력, 고신뢰성, 장수명, 원가

절감의 요구가 증 되고 있다. 리튬 이차전지의 제조원가 중 소재비용은 45~50%이며, 소재비용

중 70% 이상 차지하는 양극재, 음극재, 분리막, 전해액의 4 핵심소재 비용 절감과 새로운

소재의 원천기술 확보가 절실한 상황이다.

리튬이온전지(Lithium ion battery)는 리튬염 전해액을 사용하는 이차전지로 양극활물질, 음극

활물질, 분리막, 전해액 및 용기로 구성된다. 특히, 리튬이온전지의 주요 소재인 분리막은 양극과

음극 사이에서 리튬이온을 전달하는 역할 및 전류가 흐를 때 기공을 막아 전지회로를 차단하는

안전장치 역할을 수행하고 있어서 매우 중요하다.3)

자료 : 한국과학기술정보연구원, “차세대 이차전지 산업트렌드 및 환경분석”, 2010

<그림 2> 이차전지 각 구성요소별 원가 비중

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내의 전지 제조기술은 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보하고 있으나, 소재 및 핵심기술 확보는

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선진국 비 30~40% 수준에 불과하다. 현재 국산 소재 적용률은 20%에도 못 미치는 상황으로

일본 업체와 경쟁하기 위해서 소재의 국산화 연구가 진행 중이다.

이차전지 소재 시장은 중장기적인 측면에서 성장가능성이 높은 시장으로, 이차전지에 사용되는

주요 부품들은 양극재(Anode), 음극재(Cathode), 분리막(Separator), 전해액(Electrolyte) 등이

있다. 국내 이차전지 업체들은 이차전지 경쟁력을 강화하는 전략 중 하나로 이차전지 소재의

국산화를 선택하였다. 과거 이차전지 소재의 기술 경쟁력과 시장 지배력은 일본 소재 업체들이

우세한 상황이다. 국내 이차전지 업체들은 일본 소재 업체에 한 의존도를 줄이기 위하여 이차

전지 소재개발을 통한 내재화와 국내 이차전지 소재 업체로부터 공급처 다변화를 시도하였다.

이차전지 소재의 국산화 연구는 국내 기업들이 이차전지 소재 사업에 진출하고 제품 양산을

준비 중이기 때문에 지속될 것으로 예상된다. 국내 업체들은 이차전지 소재 중에서 음극재를

제외한 제품의 국산화에 성공하였다. 음극재의 경우 GS 칼텍스, 포스코켐텍 등의 국내 기업들이

국산화를 위하여 준비 중이다. 분리막은 SK 이노베이션이 국산화에 성공하였고, LG 화학 또한

2012년 하반기부터 양산을 준비 중이며, 제일모직도 분리막 연구개발을 진행하고 있다. 소형

전지의 양극재 소재는 국산화에 성공하였으나 중 형용 전지의 양극재 소재는 일본 업체들의 기술

수준에 못 미치는 실정이다.5,6) 그러나, 국내 업체들이 지속적으로 소재를 개발하고 있어서 빠른

시일 내에 국산화에 성공할 것으로 예상된다.

자료 : 산업은행, “리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망”, 2012

<그림 3> 리튬이온전지 기술로드맵

차세 전지로는 이온전도도가 큰 젤타입 전지, 고체 고분자(Solid polymer)를 전해질로 사용한

리튬폴리머전지가 IT 응용분야를 뛰어넘어 전기자동차 및 에너지저장 분야에서 가장 효과적인

에너지저장장치(Energy storage system)로 각광받고 있다. 리튬폴리머전지는 액체전해질형 리튬

이온전지의 단점인 안전성 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망된다.

차세 이차전지 기술 개발은 리튬이온전지 개발과 동일하게 고용량, 고성능, 저가격화에 초점을

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맞추어 진행되고 있으며, 소재분야 연구와 더불어 전지 내부 공간 활용을 극 화할 수 있는 전지

설계 기술과 전지 제조 공정 기술에 한 연구가 추진되고 있다. <그림 4>는 현재 및 향후 개발될

이차전지의 기술 트리를 나타낸 것으로, 소재별 기술을 이용한 고효율 이차전지 기술을 정리

하였다.7)

자료 : 한국산업기술평가관리원, “중소기업 통합 기술로드맵”, 2010

<그림 4> 이차전지의 기술트리

현재 리튬이온전지에 적용되는 국산 분리막에는 부분 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌(PE)과

폴리프로필렌(PP) 소재를 사용하였다. 폴리올레핀으로 만든 분리막은 내열 특성과 기계적 강도가

취약하여 전지 안전성에 큰 저해요인이며, 이를 해결하기 위해 국내에서는 폴리올레핀 분리막

위에 산화물을 코팅하는 기술을 개발하여 중 형 전지를 중심으로 사용하기 시작하였다.

다공성 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 필름인 분리막은 제조공정에 따라 습식과 건식으로 구분

(습식 70%, 건식 30%의 시장점유)되며, 표면에 무기물을 코팅하여 안정성을 향상시킨 강화막이

개발되었다.

습식막은 분리막의 성형 과정에서 첨가한 가소제를 유기용매로 추출할 때 발생한 기공을 연신하여

확장한 것으로 강도, 탄성 및 두께, 기공균일도 등이 우수하고, 건식막은 압출 필름을 저온에서

연신하여 결정계면에서 미세 균열을 발생시키는 방식으로 PP/PE/PP의 삼층 구조로 저가격, 고

출력용에 사용된다. 강화막은 폴리올레핀 수지의 기계적, 열적 특성을 보완하고자 다공성 고분자

막의 표면에 세라믹 입자층을 형성시켜 고온에서도 분리막의 기계적 수축을 방지하는 역할을 한다.

녹색산업 선도형 차세대 전지 및 분리막 개발 동향_185

<표 1> 분리막의 종류 및 특징

＄/m2 ＄/m2 ＄/m2

자료 : 산업은행, “리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망”, 2012

나노 크기의 알루미나를 폴리머 바인더와 유기용제에 분산시켜 수 마이크로 두께로 분리막에

코팅하였으나, 나노 크기의 알루미나 분말은 일본에서 전량 수입하고 있는 실정이다. 유기용제를

사용하는 공정은 생산 비용이 높고 환경에 유해하기 때문에 고효율 이차전지 개발에서 수계

용제를 사용하는 바인더 및 공정이 개발되고 있다.

2. 해외 동향

이차전지는 세계 1위인 일본을 중심으로 한국과 중국이 세계를 선도하고 있으며, 한국이 일본을

급추격하고 있다. 2015년 이차전지 시장은 270억 달러 이상으로 성장할 전망이며, 최근 전기

자동차용과 에너지 저장용 용량 전지 시장이 확 될 전망이다. 미국의 에너지부(DOE)는 2007년

배터리 기술 개발에 1억 4천만 달러를 투자하였으며, 2008년에 자동차용 이차전지 개발에만

4,800만 달러를 투자하였고, 일본 기업들은 우수한 기술력 및 시장 선점을 바탕으로 세계 1위의

시장점유율 및 기술력을 확고히 하고 있으며, 중국 기업들은 저가 정책을 통해 시장 점유율의

확 를 시도하고 있으나 아직 기술 수준은 낮다.1)

해외 기술동향과 국내 기술동향은 비슷하나 최근 주요 전지 제조업체들의 용량 전지용 양극재

물질 선택에 한 의견이 분분한 가운데 BYD 등 중국 업체들이 LFP(리튬-철-인) 소재를 후보

물질로 채택하였으며, 일본 업체들은 최근 철(Fe)을 망간(Mn)으로 치환한 LMP(리튬-망간-인)

소재를 연구 중이다. 일본에서는 리튬이차전지의 활용이 어려운 분야인 MWh급 이상의 전력 저장

시스템을 요구하는 발전소용 및 분산발전용 에너지 저장 시스템 등으로 레독스 플로우 전지 및

나트륨황 전지 등 형 전지 시스템에 한 연구도 진행하고 있다. <그림 5>에 국내외 업체별

이차전지 가치사슬(Value chain)을 나타내었다.5)

186_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

자료 : SK증권, “이차전지 다시 뛰다”, 디스플레이보고서, 2012

<그림 5> 이차전지 가치사슬(Value Chain)

2011년 분리막 수요는 전년 비 26% 증가하였으며, 아사히 카세이, 폴리포어(前 Celgard),

토레이 토넨이 전체 수요의 70%를 공급하고 있다. 2010년 일본의 3 업체(아사히 카세이,

폴리포어, 토레이 토넨)가 분리막 전체의 70%를 공급하고 있으나, 우베, SK Entek 등 2위권

업체들의 시장점유율이 빠르게 확 되고 있고, BenQ, Wuhu chery engineering 등 만 및

중국 업체들이 새롭게 분리막 시장에 진입하고 있다.

Ⅲ. 향후 전망

우리나라는 에너지 소비량 세계 10위, 석유 소비량 6위권의 에너지 다소비국으로, GDP의

8.2% (375억 달러)를 에너지 수입에 사용하고 있으며, 에너지원의 97.3%는 수입에 의존하고 있다.

이에 고유가 및 온실가스 저감차원에서 혁신적인 에너지 저장 기술의 개발과 효율적으로 에너지

절감을 실현할 수 있는 실용적 기술의 필요성이 두되고 있다.

이차전지의 주요 시장은 휴 폰을 비롯한 휴 용 정보통신기기와 노트북, 휴 용 전동공구 등

소형가전 제품 위주였으나, 향후 이차전지 산업은 시장의 확장에 중추적인 역할을 담당해 왔던

휴 용 정보통신기기와 소형가전제품의 역할이 줄어들고 각종 전기자동차로 표되는 그린카에

의해 시장상황이 좌우될 것으로 예상된다. 이차전지에 기반한 각종 그린카는 유가의 불안정성,

녹색산업 선도형 차세대 전지 및 분리막 개발 동향_187

환경규제, 각 국가들의 성장 동력 창출 노력으로 기술 개발이 촉진되고 있는데 가장 유력한

동력원은 리튬계 중 형 이차전지이다.

이차전지와 초고용량 커패시터는 향후 모바일IT, 하이브리드 자동차, 지능형 로봇 등의 전원

으로 사용되며, 관련 산업 발전을 위한 핵심부품으로 자리 잡을 전망이다. 이차전지 시장은

2000년 들어 연평균 10% 정도로 성장하고 있다.8)

또한, 전기자동차/하이브리드 전기자동차 및 로봇 분야에서 리튬 이차전지의 이용은 점차

확 될 전망이다. 고분자 전해질을 사용하는 리튬이온 폴리머전지 개발을 위해서는 유기 합성·

분산 기술과 나노기술이 결합된 융합형 기술의 개발이 필요할 것으로 예상된다.

<참고문헌>

1. 전국경제인 연합회 FKI 전략산업리포트, “2차전지 산업동향 및 발전방안”, 2011

2. 한국수출입은행 해외경제연구소 산업리스크분석보고서, “리튬 이차전지 산업 동향”, 2011

3. 차세 이차전지 산업트렌드 및 환경분석, 한국과학기술정보연구원, 2010

4. 산업은행, “리튬이온전지 소재기술 동향 분석 및 전망”, 2012

5. SK증권 디스플레이보고서, “2차전지 다시 뛰다”, 2012

6. 한국과학기술정보연구원, “차세 이차전지 산업트렌드 및 환경분석”, 2010

7. 한국산업기술평가관리원, “중소기업 통합 기술로드맵”, 2010

8. 중소기업진흥공단, “2차전지의 시장 기술보고서”, 2009