2차전지 시장동향
전기차 시장이 수요 견인...2015년 20~25조원 규모
리튬이온전지는 경박단소(輕薄短小)를 지향하는 첨단 IT산업의 에너지 고용량화 수요에 부합하여 기존의 니켈전지를 대체해 왔다.
장기적으로 리튬이온전지 시장의 주도권은 친환경 자동차용을 누가 선점하느냐에 따라 결정될 전망이다.
향후 친환경 자동차용은 기존 모바일용보다 성장성이 클 것으로 예측된다<산업은행 조사분석부>.
김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)
친환경 자동차는 화석연료의 사용억제와 온실가스의 배출감소를 목적으로 하며 상업 판매 중인 친환경 자동차는 하이브리드차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드차(Plug-in HEV), 전기차(EV) 등 3종류다.
HEV는 주동력원으로 내연기관을 사용하면서 전기모터를 병용, PHEV는 주동력원으로 전기모터를 사용하면서 내연기관을 병용, EV는 전기모터만을 사용한다. 내연기관을 통해 온실가스를 배출하는 HEV 및 PHEV보다 모터로 운행되어 온실가스 배출이 없는 EV가 진보된 개념의 친환경 자동차라고 할 수 있다.
2010년 이후 친환경 자동차의 신규 모델 출시가 증가하고 있는 추세인데, 자동차 업체들은 친환경 자동차 시장의 경쟁에서 뒤처지지 않기 위해 타 업체와 비슷한 시기에 신규 모델을 출시하고 있다.
2010년 4분기에 출시된 GM(美)의 Volt와 Nissan(日)의 Leaf는 가격과 성능면에서 대중성을 보여 시장에서 타 신규 모델보다 주목받고 있다. 1997년 Toyota(日) Prius(HEV)의 판매가 시작된 이후 HEV위주로 전개되었던 친환경 자동차 경쟁이 Volt(PHEV)와 Leaf (EV)의 등장에 따라 EV로 확대된 셈이다. Volt와 Leaf의 판매동향을 통해 향후 친환경 자동차 시장의 확대 가능성을 가늠해 볼 수 있을 것으로 기대된다. 
그림 1. 하이브리드차 판매 현황 및 시장 점유율
친환경 자동차 경쟁 심화
자동차 산업은 각국의 기간산업이므로 친환경 자동차 산업으로 패러다임 전환 시 국가간, 산업간 판도에 큰 변화가 예상된다. 자동차 산업은 세계적으로 매출액이 1조 달러, 1천만 명 이상을 고용하는 제조업으로 국가의 경제성장에 주도적인 역할을 한다. 철강, 기계 등 전통산업뿐 아니라 정보기술, 에너지, 환경 등에도 생산 유발과 기술 파급효과가 큰 산업이다.
친환경 자동차로의 패러다임 변화는 내연기관 위주의 자동차 산업에서 뒤쳐진 주체들에게 입지의 변화를 꾀할 수 있는 기회이기도 하다. 미국 정부는 일본, 유럽 등에 빼앗겼던 자동차 산업의 주도권 회복을 위해 EV에 대한 강한 육성 의지를 표명하고 2015년까지 EV 100만 대 공급, 연방 정부의 차량 전부를 친환경차로 교체한다는 방침이다. 중국 정부 또한 내연기관 기반의 기존 자동차 산업에 진입하는 것은 한계가 있다고 판단하여 EV를 정책적으로 지원하기로 하고 전기차 산업 발전계획을 통해 향후 10년간 150억 달러를 투자할 계획이다.
친환경 자동차 경쟁력의 핵심, 2차전지
2차전지는 한 번 사용 후 폐기하는 1차전지와 달리 충방전을 통해 재사용이 가능하다. 초기에 니켈수소전지가 채택되었으나 모바일용, 친환경 자동차용 2차전지 시장에서 에너지 밀도, 전압 등이 우수한 리튬이온전지가 대세를 이루고 있다. 리튬이온전지는 에너지 밀도, 작동전압에서 니켈수소전지의 2~3배 수준을 달성한다.
작동 원리는 전기화학적 산화-환원반응을 통해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고 그 반대 과정으로 충전되는 원리이다.
리튬이온전지의 경우 음극에 있던 리튬이온이 빠져나와 전해질과 분리막을 통해 양극으로 가는 현상이 방전이며 반대가 충전이다. 친환경 자동차의 가장 핵심적인 요소인 화석연료 사용 감소 및 온실가스 배출 억제는 2차전지를 통해 구현된다.
1회 충전당 내연기관에 버금가는 주행 거리와 속도, 빠른 충전 시간, 안전성, 가격 하락 등의 실현이 과제이다. 1차전지의 경우 음극 자체가 이온을 방출하는 소재로 되어 있어 재충전이 불가능하며 장시간 사용하면 음극의 이온 방출 기능이 소멸하는 반면 2차전지는 음극재 안에 별도의 이온(리튬)이 포함되어 있어 사용 후 음극이 보존, 이온의 이동을 반대로 할 경우 충전되어 재사용 가능하다.
고유가, 온실가스 규제 등으로 친환경 자동차 산업의 니즈는 증가하고 있다. 내연기관차의 연비 향상만으로는 각국의 연비 규제를 맞추기 어려워 친환경 자동차의 판매 확대가 요구된다. 유럽의 연비 규제는 차량에 중량에 따라 CO2 배출량의 규제치가 차등 적용되는 방식이며 자동차 업체별로 합산하여 패널티를 부과한다. 업체마다 차종별로 CO2 배출량을 측정하여 규제치를 초과한 배출량을 당해 판매 대수에 곱하여 초과하는 CO2 g당 벌금을 부과한다.
경차 위주로 판매하는 Fiat, Renault 등은 연비 규제치에 근접해가고 있으나 BMW, Benz 등 중형차 위주의 업체들은 규제 기준에 크게 미달된다. 국가별로 친환경 자동차에 대한 보조금 지급으로 시장 확대를 유도하고 있다.
소형 IT기기에서 전기차까지
1990년대 Toyota, Honda 등에서 HEV 개발 시 안전성이 높은 니켈수소전지가 채택되었으나 최근에는 리튬이온전지가 대세이다. 리튬이온전지는 에너지 밀도에서 니켈수소전지의 2배, 작동 전압에서는 3배 정도 높은 성능을 보인다.
친환경 자동차의 안전성에 관하여 향후 몇 년간은 검토가 필요한데, 이는 리튬이온전지는 충격과 고온에서 폭발하는 경우가 있어 모바일용에서도 리콜 사태 등 문제가 발생하고 있기 때문이다. 친환경 자동차용에서는 사고 시 생명과 직결되는 경우가 많아 모바일용보다는 높은 수준의 안전성이 요구된다.
최근까지 리튬이온전지의 높은 가격으로 인해 친환경 자동차의 판매 가격 및 전지 교체 가격도 높게 형성돼 있었다. EV인 Nissan ‘Leaf’의 리튬이온전지 가격은 18,000달러로 전체 차량 가격 32,780달러의 55% 수준이다. HEV의 리튬이온전지 가격은 전체 차량 가격에서 차지하는 비중이 5~10%이나 사고나 고장 등으로 교체 시 비용 부담이 큰 편이다.
현대차의 HEV인 아반떼 LPi 하이브리드에서 리튬이온전지의 가격은 120만원 대로 자동차가격의 6%로서 기존 내연기관차의 납축전지 가격대비 높은 편이다.
또 주동력원이 내연기관인 HEV를 제외한 EV, PHEV는 주행거리, 충전시간 등 사용 편의성의 획기적 개선이 요구된다. EV의 주행거리는 1회 충전시 150km 내외, 충전시간도 급속은 30분, 저속은 5시간 이상 소요되는 실정이다. 주행거리 연장을 위해서는 에너지 밀도의 개선이 필요하다.
1991년 일본 Sony에 의해 IT기기용 원통형 전지가 최초로 상업화된 이후, 전동공구 및 전기차 시장으로 서서히 용도가 확장되어 왔다. 리튬이온전지는 경박단소(輕薄短小)를 지향하는 첨단 IT산업의 에너지 고용량화 수요에 부합하여 기존의 니켈전지를 대체해 왔다. 1996년 각형, 1999년 파우치형, 2003년 전동공구용 원통형 전지가 개발되고 2009년 전기차용 중대형 제품이 출시됐다. 금속공기전지 등 차세대 전지의 실용화 지연으로 리튬전지는 2020년 이후까지 2차전지 시장을 주도할 것으로 보인다.
전기차 시장이 수요를 견인하여 리튬전지 시장이 2011년 12조원에서 2015년 20~50조원 규모로 팽창할 것이라는 관측이 제기되고 있으나, 전기차의 실제 판매실적은 예상치를 하회했다. 주요 해외기관은 2009년부터 시간이 경과할수록 더욱 공격적인 전기차 시장 전망치를 제시한 반면 2011년 PHEV 및 BEV 판매실적은 예상치의 4분의 1 수준이다.
리튬이온전지 구성하는 4대 소재
HEV의 가격하락과 EV의 주행거리, 가격, 안전성은 리튬이온전지의 소재 개발에 좌우된다. 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 리튬이온전지의 핵심 4대 소재가 전지의 가격과 성능에서 차지하는 비중이 절대적이며, 리튬이온전지의 재료비에서 4대 소재가 차지하는 비중이 70% 이상으로 양극재 30%, 분리막 25%, 전해액 9%, 음극재 8% 수준이다. 2009년 4대 소재의 세계 시장 규모는 총 2조6천억원이며 2015년에 6조6천억원으로 성장할 것으로 예상된다.
양극재는 리튬이온전지의 재료비에서 차지하는 비중이 30% 이상으로 가장 높고 에너지 밀도, 안정성 등에도 영향을 주는 핵심 소재이다. 양극재의 개발 방향은 고안정성, 고용량화, 저가격화이며 구조에 따라 올리빈계, 스피넬계, 층상계로 구분된다. 안전성은 올리빈계 > 스피넬계 > 층상계 순이나 금속산화물의 장단점을 감안하여 용도 및 업체별 특성에 따라 선택한다.
모바일 기기용 양극재로는 리튬코발트산화물(LiCoO2, LCO)이 사용된다. LCO는 저장용량이 크고 충방전특성이 우수하나 코발트(Co)가 비싸 가격경쟁력이 떨어져 친환경 자동차용으로는 사용하기 어렵다. 코발트는 매장지가 콩고, 쿠바 등에 집중되어 정치적인 상황에 따라 가격변동성이 크다.
음극재는 재료비 비중이 약 8%에 불과하여 원가절감 측면보다는 용량, 출력, 안전성 등 성능향상을 위한 개발 필요성이 높은 소재이다. 요구 특성은 높은 에너지 밀도, 안전성, 충방전에 따른 부피변화 최소화 등이다. 초기 음극재로 리튬 금속을 사용하였으나 충방전 시 표면에 이물질이 생기는 문제로 전지수명이 단축되어 결정구조의 변화가 적고 화학적으로 안정한 탄소계 소재로 대체되고 있다.
현재 사용되는 탄소계 소재로는 흑연계(인조, 천연)와 저온 탄소계가 있으며 탄소계의 단점을 보완한 금속복합계와 산화물계를 연구 중이다. 흑연계는 열처리 온도에 따라 인조흑연(2,500℃이상)과 천연흑연(1,000~1,300℃)으로 구분되며 고용량이나 에너지 밀도는 최대 370mAh/g이 한계이다. 저온탄소계는 고출력이므로 하이브리드차용으로 적용되나 방전이 잘되는 단점이 있다. 금속복합계인 Si계, Sn계 등은 탄소계 대비 2~3배 수준의 에너지 밀도를 보이나 충방전이 반복될수록 가역용량이 감소하여 전지수명을 단축시킨다. 산화물계인 Li4Ti5O12는 출력특성과 안전성은 우수하나 낮은 에너지 밀도에 따른 용량제한 등에 대한 개선이 필요하다.
2010년 세계 음극재 시장 규모는 4,400억원이며 이중 70% 이상을 일본과 중국 업체들이 점유하고 있다. 흑연계가 전체 시장의 99%를 차지하고 있으며 천연흑연과 인조흑연의 비율이 53:47로서 저가 소재인 천연흑연의 사용량이 점차 증가하고 있다.
분리막은 재료비 비중이 25%이며 친환경 자동차용 리튬이온전지의 에너지 밀도, 출력 밀도, 수명특성, 안전성, 가격 등 모든 부분에 영향을 미치는 소재이다.
분리막의 요구 물성은 안전성, 두께, 기계적강도 등이 있으며 물성별로 상반되는 특성이 있어 적정선을 찾는 것이 중요하다. 분리막의 두께가 얇아지면 전지 내에서 차지하는 부피가 줄어 에너지 밀도를 늘릴 수 있으나 강도가 약해져 안전성은 떨어진다.
분리막 소재로는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 필름이 사용 중이나 최근 친환경 자동차용에는 세라믹 코팅 제품의 적용도 증가하고 있다. PE, PP소재는 고온에서 안전성이 떨어지고 기계적 강도도 약하여 이를 개선하기 위해 세라믹 코팅 기술이 개발 중이다.
세라믹 코팅은 PET 필름 위에 Al2O3, SiO2 등 무기물을 코팅하는 방식으로서 내열성, 기계적 강도에서 유리하다. LG화학은 세라믹 코팅 기술을 자체 개발하여 친환경 자동차용 분리막에 적용 중이다.
전해질은 전지 내 리튬이온의 이동 통로로서 수명, 안전성 등에 영향을 미친다. 전해질은 리튬염을 유기 용매에 녹인 후 첨가제와 혼합한 형태이다. 리튬이온전지의 전압이 4.2V로 높아 수용성 물질은 전기분해되어 유기용매를 사용 중, 유기용매가 열안전성이 낮으나 대체할 물질이 없다. 리튬염은 LiPF4, LiAsF6, LiCLO4, LiPF6 등이 있으며 리튬 전도도와 안전성이 우수한 LiPF6가 주로 사용되며 유기용매는 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트 등의 혼합액이 사용된다. 친환경 자동차용 및 모바일용에서 폭발에 대한 안전성을 향상시키기 위해 고체 전해질에 대한 관심도 증가하고 있다. 전해질을 겔(Gel) 상태로 만든 고체 전해질은 누수액이 없어 안전성이 높고 리튬 전도성도 높다. 전해질 시장은 연간 5천억원 이상이며 국산화율이 80% 이상으로 국내 업체들의 시장 점유율이 높은 편이다. 전해질 재료비의 40%를 차지하는 LiPF6은 향후에도 대체 소재가 없어 업체들의 증설이 지속될 것으로 보인다. 
그림 2. 리튬이온전지의 구조와 충방전 원리
그림 3. 리튬이온전지 시장규모 예상
그림 4. 4대 소재 시장규모 예상 추이
자동차 산업 너머 인류의 삶을 바꿀 패러다임의 변화
장기적으로 친환경 자동차 산업의 성장은 피할 수 없는 대세로 변화에 대한 준비가 필요하다. 친환경 자동차 산업은 환경오염, 화석연료고갈 등 다양한 문제들을 해결할 수 있는 대안으로 자동차 산업뿐만 아니라 인류의 삶을 바꿀 수 있는 패러다임의 변화로 인식되고 있다. 휴대폰, LCD, 디지털미디어 등 삶의 질을 높일 수 있는 산업들은 기술개발과 가격하락을 통해 기존 산업을 대체했듯이 친환경 자동차 산업도 동일한 흐름을 보일 것으로 기대된다.
친환경 자동차 산업은 연비규제, 보조금 지급, 인프라 투자 등 정책 변수의 영향이 커 경제침체 등으로 각국 정부의 지원이 감소할 경우 시장 확대의 걸림돌로 작용할 가능성이 있다.
국내 리튬이온전지 소재산업의 육성을 위한 관련 업체간 전략적 협력이 필요하다. 친환경 자동차 산업의 개발은 자동차, 전지, 유틸리티, 소재 등 관련 업체들이 서로 협력하지 않으면 주도권을 놓칠 가능성이 크다.
전지의 성능과 가격에 가장 큰 영향을 주는 소재개발을 위하여 국내 업체간 전략적 협력이 필요하며 세계적인 전지 기업과 기술을 보유하고 있는 미국이 리튬이온전지의 경쟁에서 뒤쳐진 것도 협력의 부재 때문이다. Energizer, Duracell 등 세계적 전지 기업과 기술은 보유하고 있었으나 협력할 수 있는 전자 업체들의 대부분이 일본과 한국에 있어 산업의 흐름을 놓친 것이 원인이다.
단기간에 리튬이온전지의 에너지 밀도, 출력 등 성능의 개선은 어려워 저가 소재 개발로 가격하락을 유도하는 전략도 유효하다 할 수 있다. 친환경 자동차의 초기시장 확대의 관건은 주행거리, 충전시간 등 성능보다는 경제성 확보를 위한 차량 가격이 중요하다. 친환경 자동차의 차량 가격에 가장 큰 비중을 차지하는 리튬이온전지의 가격이 하락할 경우 니치시장 위주로 시장 확대가 가속화될 가능성이 크다.
4대 핵심 소재 이외 기타 부품·소재 산업에도 관심과 투자를 확대해야 한다. 스테인리스 캔, 테이프, 바인더 등 비중이 높지 않은 부품·소재 산업의 국산화율은 20~30%대로 낮아 향후 시장 확대를 위한 개발이 필요하다. 친환경 자동차용 리튬이온전지의 경우 안전성, 성능 등의 문제로 부품·소재의 교체가 쉽지 않아 초기 제품개발 시부터 컨소시엄 구성 등으로 개발에 참여하는 것이 중요하다. 또 부품·소재 산업은 대부분 중소기업들이 많아 정부 차원의 지원책도 필요하다.
소재산업의 원료가 되는 천연자원에 대한 장기적인 확보 전략 수립 또한 필요하다. 리튬, 코발트, 망간 등 리튬이온전지의 핵심 소재 원료들에 대한 장기적인 확보 전략 수립이 필요한데, 대부분 국내에서 생산이 되지 못해 경쟁이 심화되고 시장이 확대될수록 가격과 수급에 문제가 발생될 소지가 있다.
더불어 다양한 비즈니스 모델을 통한 리튬이온전지의 시장 확대 가능성을 검토해야 한다. 국가별, 산업별, 기업별로 친환경 자동차 산업에 접근하는 전략이 상이하여 시장별 특성에 따른 차별화된 비즈니스 모델 구축이 필요하다. 친환경 자동차 판매 시 전지는 리스 형식으로 판매하여 초기 차량의 판매가격을 낮추는 방식도 고려해 볼 수 있다.
