녹색 시대의 총아, 2차전지 · 친환경 신재생에너지 산업이 세계적인...

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2 LG Business Insight 2011 7 20

모바일 기기를 주요 시장으로 하는 2차전지의 시장 규모는 2010년에 13조 원대에 달했고, 앞으로 10년간

10배 이상의 성장이 예상된다. 기존 모바일 기기용 전지 시장의 성장은 둔화되겠지만, 전기자동차와 에너지

저장 시스템 부문의 급격한 수요 확대가 전체 시장 성장을 견인할 전망이다.

매력적인 시장 전망 때문에 기존 전지 기업 외에도 다수의 글로벌 기업들이 앞다투어 전지 시장에 진입하

고 있다. 기존 전지 기업은 사업 참여 경험을 기반으로 새로운 시장의 주도권을 잡으려 하고, 신규 진입 기업

들은 새로운 전지 솔루션을 통해 시장의 틀을 바꾸고자 한다.

현재 시장에서는 2차전지의 한계로 지적되던 에너지 밀도 상승의 한계, 안전성에 대한 불안감, 그리고 높

은 원가 부담을 혁신하기 위한 수많은 전지 솔루션들이 쏟아져 나오고 있다. 10배 이상의 에너지 밀도 상승이

가능한 금속공기전지, 완벽한 안전성을 지향하는 전고체 전지, 대용량 에너지의 저장에 적합한 차세대 나트륨

계열 전지, 그리고 풍부한 마그네슘 자원을 활용한 마그네슘 전지 등이 현재 대표적인 차세대 전지로 주목받

고 있다. 새로운 전지 솔루션이 시장에 안착하기 위해서는 오랜 기간의 시행착오가 필요하겠지만, 시장의 절

실한 요구와 기업들의 경쟁적인 연구 개발 투자에 힘입어 예상보다 빠르게 등장할 가능성도 크다.

차세대 전지의 등장은 결과적으로 전지 산업의 위상을 크게 변화시킬 것이다. 지금까지의 2차전지 산업이 모

바일 기기를 움직이는 에너지원으로서 소규모 산업의 지위에 머물렀다면, 미래의 2차전지는 녹색 시대의 중추

산업으로, 친환경 에너지 산업의 성패를 좌우하는 대형 산업으로 거듭날 것이다.

최근 리튬이온전지 산업에서 한국 기업이 선전하고 있다. 한국 전지 기업의 차별적 강점은 공정 혁신을 통

한 효율적 생산, 규모의 경제에 의한 원가 경쟁력이다. 그러나 지속 성장을 가능하게 해주는 기초 소재 기술

이나 차세대 전지 개발 역량은 많이 부족한 상황이다. 힘겹게 획득한 소형 2차전지 시장의 주도권을 발판으로

소재 기술 혁신을 통한 차세대 전지 개발과 생산성 혁신을 위한 공정 기술 간의 균형을 맞추는 것에 대한 고

민이 필요한 시점이다.■

녹색 시대의 총아, 2차전지차세대 전지 개발 경쟁 치열해지고 있다

신장환 책임연구원 [email protected]

Ⅰ. 녹색 성장 시대의 총아, 2차전지

Ⅱ. 치열해지고 있는 차세대 전지 개발 경쟁

Ⅲ. 주목할 만한 차세대 전지

Ⅳ. 차세대 전지의 높은 잠재력에 주목해야

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녹색 성장의 핵심으로

주목받는 2차전지의

성능에 대한 기대치가

급격히 상승하고

있다.

”

““전기자동차의 짧은 주행 거리와 높은 가격에 대한 불만을 해결할 수 있는 2세대

전기자동차가 이미 GM 연구진에 의해 설계가 진행 중이다. 2015년이 되면 지금보

다 2배 이상의 주행 성능을 가지면서 가격은 획기적으로 낮은 2세대 전기자동차가

출시될 예정이다. 2차전지 기업들의 분발을 요청한다.” ‘스마트 배터리 포럼’에서 했

던 한국 GM 기술 총책임자의 말이다. 2차전지 성능의 혁신에 차세대 전기자동차의

성패가 달려 있다는 것이다.

울릉도는 대규모 발전소와 분리된 도서지역으로 신재생에너지 활용도가 우리나

라에서 가장 높은 수준이다. 그러나 더는 태양광 발전이나 풍력 발전 설비를 설치할

수가 없다고 한다. 에너지 저장 시스템의 부족으로 기존 전력망에서 출력이 불안정

한 신재생에너지를 더 수용할 수 없기 때문이다.1

모바일 기기에 이어 전기자동차, 그리고 에너지 저장 시스템으로 시장이 빠르게

확대되면서 녹색 성장의 핵심으로 주목받는 2차전지의 성능에 대한 기대치가 급격

히 상승하고 있다. 하지만, 2차전지의 혁신 속도는 시장의 기대에 크게 미치지 못하

고 있는 실정이다.

Ⅰ. 녹색 성장 시대의 총아, 2차전지

2차전지의 기술혁신에 관심 집중

2010년 7월, LG화학의 미국 현지 생산 법인 기공식에 오바마 미국 대통령이 이례적

으로 참석하면서 화제가 된 적이 있었다. 실제 고용 효과는 500여 명에 불과하지만,

전기자동차 보급 성공의 열쇠를 쥐고 있는 2차전지에 대한 미국 정부의 육성 의지를

보여준 것이다. 일본도 정부가 주도하여 2020년까지 현재 전지 성능의 3배 향상을

목표로 자동차 기업, 전지 기업, 연구소 등 22개 기관이 참여하는 차세대 전지 프로

젝트를 발족하였다.

몇 년 전만 하여도 휴대폰, 노트북 등 모바일 기기에 사용되며 제한된 시장에 머

1　�울릉도의�신재생에너지�활용도는�9.7%�수준이지만,�에너지�저장�시스템의�미비로�추가적인�태양광�또는�풍력�발전을�설치하기�

어려운�상황

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무르던 2차전지가 전기자동차의 본격 확대와 에너지 저장 시장의 가시적 성장에 힘

입어 급속히 성장하고 있다.

2010년 전기자동차 모델인 리프를 출시한 닛산은 2016년까지 전기자동차 누적

판매량을 150만대까지 올릴 것이라며 자사 모델의 확실한 성공을 장담하고 있고,

GM도 전기자동차인 볼트의 판매 호조에 따라 2012년에는 연간 생산량을 6만 대까

지 증산할 계획이며, 미쓰비시의 아이미브도 2012년부터 연간 3만 대까지 생산을

늘릴 계획이다. 바야흐로 친환경 교통수단의 현실적 대안인 전기자동

차 시대의 서막이 열리고 있다.

친환경 신재생에너지 산업이 세계적인 이슈로 등장하면서, 대용량

에너지 저장용 2차전지인 NaS 전지2의 최근 성과도 눈부시다. 덴마크

의 청정 기술 기업인 Amplex는 2010년 10월, NaS 전지의 독점적 생

산 기업인 일본의 NGK와 총 40억 달러 규모의 구매 계약을 체결했다.

미국, 멕시코 등에서 늘어나는 수요에 대응하고자 앞으로 6~10년간

생산량 전부를 선점한 것이다. 캘리포니아 주 정부는 에너지 저장 시스

템의 설치를 의무화하는 법안을 승인하였고, 미국의 전력 회사인 AES

는 리튬이온전지를 활용한 20MW급 에너지 저장 시스템을 뉴욕에 시

범 설치하여 사업화 여부를 검토하고 있다.

기술혁신의 필요성 증대

미국의 유력 일간지인 USA 투데이와 여론조사 기관인 갤럽이 지난 5월에 함께 조

사한 바로는 57%의 미국인들은 유가와 상관없이 전기자동차를 구매할 생각이 없다

고 말했다. 특히, 소비자들은 전기자동차용 2차전지와 밀접한 관련이 있는 짧은 운

행 거리, 수 시간에 달하는 충전 시간, 그리고 비싼 가격에 대해 거부감이 크다고 표

현했다. 전지 기술의 발전으로 성공적인 전기자동차의 서막을 열었지만, 전기자동

차의 본격 확산을 가로막는 가장 큰 장벽으로 고객들은 2차전지의 성능 한계를 지적

하고 있는 것이다.

전기자동차의 원활한 보급을 위해서는 현재 리튬이온전지 수준의 6~7배 정도의

2�양극에�황(Sulfur),�음극에�나트륨(Na),�전해질은�세라믹�고체�전해질을�사용하는�2차전지로서�300도�이상의�고온에서�작동

2차전지 시장이 모바일

기기에 이어

전기자동차, 에너지

저장 시스템으로 빠르게

확대되고 있다.

”

“

<그림 1> 2차전지 시장 추이 및 전망

주: 리튬이온전지와 니켈계(NiCd, NiMH)전지의 시장 규모를 합산

자료: LG경제연구원

(십 억달러)

2000

11.6

2010

119.3

2020

17%

모바일用

전기차用

에너지저장用

22.010.9

5.4

33.0

64.3

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에너지 밀도가 필요하다. 지금과 같은 개선으로는 이론적으로 최대 2~3배 정도의

에너지 밀도 상승이 가능한 것이 현실이다. 고객의 기대 수준에 부응하기 위해서는

기술 혁신이 반드시 필요한 것이다.

2차전지의 성능 부족으로 인한 전력산업의 고민도 더욱 깊어지고 있다. 체르노

빌 사태 이후 최악의 원전 사고인 후쿠시마 원전 사태는 주요국들이 에너지 정책을

원점에서 다시 생각하게 하는 계기가 되었다. 일본의 간 총리는 가능한 모든 주택

및 건물에 태양광 패널을 설치하는 등 신재생에너지의 적극적 육성을 통해 현재 1%

수준에 불과한 신재생에너지 비중을 2020년까지 20%까지 올릴 것이라는 거창한 계

2차전지 기술의

발전으로 전기자동차

시대가 열렸지만,

아이러니하게도 전지

성능의 한계가

전기자동차 본격

확산의 걸림돌이다.

”

“

2차전지의 혁신 DNA

클레이턴 크리스텐슨 하버드대 교수는 와해성 기술이

창출한 새로운 미래의 대표적인 사례로 전지 기술혁신에

의한 전기자동차를 꼽았다. 하지만, 역사적으로 전지 산

업에 있어 기술혁신은 그리 생소한 용어가 아니다.

1800년에 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타가 최

초로 화학전지를 개발한 이후, 전지의 혁신 행보는 더디

긴 하였지만 시장의 니즈와 맞물려 꾸준히 진행되었다.

한번 사용하면 재사용이 어려운 1차전지인 볼타전지에

대한 혁신 의지가 충전을 통해 재사용이 가능한 2차전지

인 납축전지를 1859년에 탄생 시키면서 전지 산업 발전

의 계기를 마련했다.

19세기 후반에 개발

되었던 니켈 카드뮴 전

지는 소형기기를 이동

중에도 사용하고 싶다

는 니즈로 소형화되어

1950년대에 상용화 되

었고, 오랫동안 워크맨

이나 카메라 등 소형 전

자기기에 많이 사용되었다.

현재 2차전지 시장을 주도하고 있는 리튬이온전지도 혁

신의 산물이다. 1970년에 미국의 엑슨(Exxon)과 빙엄턴

대학의 공동 연구에 의해 처음으로 제안되었지만 리튬금

속의 불안정성으로 고용량이 가능한 장점에도 불구하고

상업적으로 사용될 수가 없었다. 하지만, 소형 전자기기를

더 오래 사용하고 싶은 절실한 니즈는 당시 전자 산업을

주도하던 소니의 관심을 끌기에 충분했고, 소니의 막대한

연구 개발 투자를 통해 1991년 마침내 상업화되었다.

대용량 에너지 저장에 적합한 NaS전지는 1967년 미국

의 포드사에 의해 처음으로

발표되었다. 하지만 상용화

를 염두에 두고 개발에 나

선 것은 1984년부터다. 일

본의 NGK는 수많은 실증

과 실험을 거쳐 2002년에

비로소 상품화에 나섰고,

2006년 처음으로 실용화되

었다.볼타전지(1800년) 최초의 니켈카드뮴 전지 (1899년)

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획을 발표했다.3 독일도 2022년까지 원전 가동 중단을 모색하고 궁극적으로는 신재

생에너지로만 전력을 생산하겠다고 한다.

자연을 활용하는 신재생에너지 중에서, 상대적으로 높은 경제성으로 주목받는

발전원은 태양광과 풍력 발전이다. 하지만, 접근성이 우수하고 고갈될 염려도 없는

태양광이나 풍력을 에너지로 전환하여 불편함 없이 사용하려면 신재생에너지를 통

제하고 품질을 제어하는 에너지 저장 시스템이 반드시 필요하다. 지식경제부의 최

근 연구 자료에 의하면, 에너지 저장 시스템 없이 전력망에 연계될 수 있는 신재생

에너지 발전량 비율의 한계를 10~15%로 추정하고 있다.4 출력 변동성을 제어할 수

있는 에너지 저장 시스템이 준비되지 않는다면 신재생에너지의 본격 확산은 어려운

상황이다.

에너지 저장용 전지에 대한 수요는 급증하고 있으나, 고객들의 문제를 해결해 줄

수 있는 제품 개발은 아직 기대에 미치지 못하는 것으로 보인다. 기업들은 납축전

지, 리튬이온전지, NaS 전지, Flow 전지5 등 다양한 전지솔루션을 제시했지만, 어

떤 것도 만족스러운 결과를 얻지는 못했다. 신재생에너지의 확대가 시급한 유럽이

나 북중미의 일부 지역에서는 완성도가 부족한 에너지 저장 솔루션을 어쩔 수 없이

사용하기도 한다. 대용량 에너지 저장에 적합하지만, 300도 이상의 고온에서만 작

동할 수 있다는 운영상의 약점을 지닌 NaS 전지가 최근 급부상하고 있는 것이 대표

적인 사례이다.

국내 온라인 마케팅 업체인 두리안소프트가 최근 진행한 ‘스마트폰에 대한 만족

도’에 대한 설문 조사에 의하면 63%의 소비자가 가장 큰 불만으로 ‘짧은 배터리 사

용 시간’을 택했다. 배터리를 완전히 충전하여도 반나절도 가지 않는 짧은 수명 때문

에 정작 중요한 전화 통화를 하지 못하는 경우가 많아지면서 사용자들의 불만이 쏟

아지고 있다.

이처럼 2차전지를 둘러싸고 있는 외부 환경의 변화로 차세대 전지의 성능 혁신

에 대한 고객들의 기대가 절실해지고 있다. 하지만, 현재의 기술 수준으로는 고객들

의 욕구를 충족하기가 불가능하기 때문에 고객의 기대 수준과의 격차는 더 벌어지

고 있다. 차세대 전지에 많은 관심이 쏟아지는 이유가 여기에 있다.

3　일본에서�신재생에너지�비중은�1%�수준,�수력을�합해도�10%�미만�(2010년�기준)

4　에너지�저장�기술�개발�및�산업화�전략�(지식경제부,�2011년�5월)

5　금속�이온을�함유하는�액체�전해질이�흐르면서�전기화학반응에�의해�충방전되는�2차�전지

신재생에너지의 출력

변동성을 제어하기

위해서는 에너지 저장

시스템이 반드시

필요하다.

”

“

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Ⅱ. 치열해지고 있는 차세대 전지 개발 경쟁

차세대 2차전지의 개념

미국의 경제학자인 슘페터는 혁신을 정의하기를 “낡은 것을 파괴하고 새로운 것을

창조하는 행위”라고 하였다. 즉, 사용자의 기대 수준을 넘는 혁명적인 결과를 도출

하는 것을 의미한다.

전지 산업에서 혁신의 의미는 고객이 직면한 문제를 즉각 해결해 줄 수 있는 전

지 성능의 혁신적 개선을 뜻한다. 즉, 차세대 2차전지는 에너지 밀도, 안전성, 원가

의 한계 등을 극복한 신개념 전지로서 급진적이며 불연속적인 성능 향상을 통하여

응용 영역을 한층 더 넓혀야 한다.

일본 신에너지산업기술개발기구(NEDO)는 리튬이온전지가 이론적으로 도달 가

능한 최대 에너지 밀도를 능가하는 전지를 차세대 전지 또는 혁신 전지라고 정의하

였고, 미국 에너지부(DOE)는 현 수준 대비 에너지 밀도를 2배로 올리면서, 원가를

70% 낮추는 전지를 차세대 전지라고 정의한다.6 즉, 차세대 전지는 현재 기술의 점

진적 개선이 아닌 새로운 기술 혁신으로 도달 가능한 전지이다. 성능 혁신에 한계가

있는 기존 솔루션과는 분명히 구분되는 개념이

다.

기업들 참여 가속

단기적 성과를 보기가 쉽지 않고, 막대한 연구 개

발 투자가 필요한데도 차세대 2차전지의 연구 개

발에 글로벌 기업들이 적극적으로 참여하고 있

다. 원인을 살펴보자.

먼저, 에너지 산업 환경의 변화로 차세대 전

지에 대한 고객들의 기대가 절실해지고 있다. 과

거에는 차세대 전지 개발이 학계에 의해 주도되

6　현재�리튬이온전지의�에너지�밀도는�100~150Wh/kg�수준이며,�이론적�최대�에너지�밀도는�250~300Wh/kg

차세대 전지는 기존

2차전지의 한계를

극복한 신개념

전지이다.

”

“

<표 1> 2차전지 경쟁력 강화방안 통합 로드맵

자료 : 제8차 녹색성장위원회 보고회(2010년 7월)

목표연도 2009 2013 2017 2020

기술개발목표

기초원천기술(%) (선진국 대비)

30 40 70 80

상용화기술

전기자동차용

항속거리 (km)

100 120 200 250

에너지 밀도 (Wh/kg)

100 180 250

가격 (만원/kWh)

130 80 50 20

에너지저장용

수명(년) 5~7 10 15 20

가격 (만원/kWh)

100 50 30 20

투자목표 투자금액(천억 원) 25.4 81.4 125.5 189.0

인력양성 석, 박사급 전문인력(명) 140 300 600 1,000

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는 경우가 대부분이었다. 수십 년간 연구에 매달린 연구진들에 의해 이론적으로는

매우 혁신적인 솔루션들이 시장에 소개되곤 했지만, 시장 흐름 및 사업성과 동떨어

진 솔루션이기에 상용화에 대해서는 회의적 시각이 팽배했었다. 하지만, 시장이 압

박하고 있는 최근 상황은 ‘혁신하면 좋지만 안 돼도 할 수 없는’이 아닌 ‘반드시 혁신

적 성능을 발휘해야만’하는 새로운 전지를 요구한다.

두 번째, 대량생산이 가능할 정도의 제품화가 이루어진다면 막대한 성과 창출이

예견될 만큼 차세대 전지의 사업성이 매우 매력적이다. 일본 Yano research에 의하

면 2013년 차세대 전지 시장 규모는 6조 원에 달한다.7 장기적인 성장 잠재력은 더

높다. 차세대 전지의 제품 완성도가 올라가면서 2020년 무려 100조 원에 달하는 2

차전지 시장의 상당 부분을 점유하고, 심지어 새로운 시장을 창출하여 시장 규모를

더 키울 가능성도 있기 때문이다.

차세대 전지를 주도하는 기업이 아직 등장하지 않은 시장 상황은 차세대 전지에

대한 다양한 기업들의 관심을 불러일으키고 있다. 거대 기업들이 속속 진입하면서

막대한 연구 개발 투자가 이어지고 있다. 막강한 자본력과 전력산업에 대한 기득권

을 앞세운 GE는 고 에너지 나트륨 전지 등 차세대 전지 개발에 적극 투자하고 있다.

석유화학 업계를 주도하는 BASF도 차세대 전지 기술 개발을 위해 2015년까지 1억

달러 이상 투자를 발표하며 에너지 밀도를 혁신적으로 개선하는 금속공기전지 및

리튬 황 전지의 연구 개발에 집중하고 있고, Dow는 아예 국내 기업인 코캄의 미국

법인을 인수하여 전기자동차용 전지 전문 기업인 Dow-코캄을 설립하여 6억 달러

를 투자함과 동시에 일본의 소재 전문 기업

우베와 합작사를 설립하여 차세대 전지의 전

해질 사업에도 진출할 예정이다. IBM도 전기

자동차의 무한한 성장성을 선점하기 위해 리

튬공기전지를 전략적으로 개발하고 있다.

이처럼 차세대 전지의 사업 매력도가 올

라가면서 연구 개발을 주도하는 주체가 학계

에서 기업으로 바뀌고 있다. 또한, 기업들의

적극적 투자로 차세대 전지의 개발 사이클이

7　차세대�2차�전지�시장�(Yano�경제�연구소,�2011년�5월)

막대한 투자가 필요한

차세대 전지에 글로벌

기업들이 적극적으로

참여하고 있다.

”

“

<표 2> 미국의 차세대 전지 개발 로드맵

자료 : 미국 Department of Energy, 2010년

연도 양극 음극에너지 밀도 (Wh/kg)

부피(%)

가격 ($/Kwh)

2010년기존 양극재 (Layered)

기존 음극재150(실제)

400(이론적 한계)100 300

(2014년)2015년 고전압 양극재 기존 음극재 560 50

2018년 고전압 양극재 실리콘 음극재 880 30

100~150 (2020년)2020년

고전압 양극재 리튬금속 음극재 99010

공기 리튬금속 음극재 3,000

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단축되는 변화가 예상되기 때문에 거대 기업들의 참여 열풍은 당분간 지속될 것으

로 예상된다.

Ⅲ. 주목할 만한 차세대 전지

차세대 전지에 대한 관심이 집중되면서 새로운 전지가 등장함은 물론 과거에 소개되

었던 개념까지 재조명받고 있다. 공기를 활물질로 활용하는 전지로서 현 수준 대비

10배 이상의 성능 향상이 가능한 금속공기전지, 전지 내부 물질을 고체로 하여 안전

성을 혁신시킨 전고체 전지, 풍부한 자원인 마그네슘이나 황을 활용하여 혁신적으로

원가를 낮춘 마그네슘 전지, 리튬 황 전지 등이다. 물론, 바이러스 유전자를 활용하

여 용량을 키우거나 마찰이 없는 초전도체를 활용하여 사용 수명을 연장하는 등 수

많은 전지 솔루션이 다양한 매체를 통해 소개되고 있지만, 본고에서는 시장에 등장

할 가능성이 상대적으로 높고, 탁월한 성능 혁신 가능성으로 말미암아 기업들의 관

심을 받고 있는 차세대 전지 솔루션에 한정하여 살펴보자.

차세대 전지의 사업성이

주목받으면서 연구

개발을 주도하는

주체가 학계에서

기업으로 바뀌고

있다.

”

“

<표 3> 주요 차세대 전지의 특성

차세대 전지에너지 밀도(Wh/kg)

특성 비고

금속공기전지 ~3,000·공기 중 산소를 양극으로 사용하여 고에너지 밀도 가능

·IBM, BASF, 도요타 자동차에 의해 개발 중

전고체전지 1,000~1,500·전고체 전해질 기반, 양극재에 유황계 활용하고 음극재에 금속재 사용 가능

·일본의 도요타 자동차, 이데미츠에 의해 개발 중

차세대나트륨 계열 전지(용융염 전해질)

200~250

·낮은 가동 온도(57~190도)·완전 불연성·리튬이온전지 대비 90% 저렴한 원가

·스미토모 전공에 의해 2011년 3월 개발, 2015년 상용화 예정

마그네슘 전지 ~600·장수명 가능·풍부한 마그네슘 금속 활용으로 저가화 용이

·LG화학, 미국의 Pellion Tech에 의해 개발 중

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금속공기전지, 2차전지의 궁극적 목표

모든 화학전지는 양극과 음극, 양극과 음극 사이의 물질 이동 통로인 전해질, 그리고

양극과 음극의 직접적 접촉을 방지하는 분리막으로 구성되어 있다. 금속공기전지는

음극으로는 리튬 또는 아연금속이, 양극으로는 공기 중 산소를 이용하는 구조로서 에

너지 밀도가 기존 리튬이온전지 대비 10~15배까지 높은 특징을 가지고 있다. 물론

리튬 등 금속 전극이 외부 공기 중 산소와 반응하기 위해서는 특수한 탄소층 및 촉매

가 필요하기는 하지만, 전지의 중요한 구성 요소인 양극 활물질을 공기로 대체할 수

있기 때문에 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있고, 음극에 사용되는 금속만으로도

용량 확대가 가능하기도 하다. 한국과학기술평가원에 의해 ‘10년 후 세상을 바꿀 10

대 유망 기술’ 중 하나로 선정될 만큼 금속공기전지는 화학전지로서 2차전지의 궁극

적인 목표로 불리기도 한다. 일본의 산업기술종합연구소가 2009년에 발표하기를 기

존 리튬이온전지 용량보다 약 300배 이상의 상승도 가능하다고 하였다.

전기자동차의 높은 유망성 때문에 2009년 6월 ‘Battery 500’ 프로젝트를 착수한

IBM은 공기와 리튬금속을 활용한 리튬공기전지 개발을 진행 중이다. 앞으로 5년 내

에 현재의 전지보다 10배 이상 에너지밀도를 향상한 전지의 시제품을 개발하고,

2020년에는 제품의 상용화를 목표로 아르곤연구소 등 다수의 미국 국립 연구소들

과 긴밀하게 협력하고 있다.

BASF는 아연금속을 활용한 아연공기전지를 스위스에 있는 리볼트와 함께 연구

중이다. BASF와 리볼트의 공동 개발 협약에 의하면 BASF는 재료 과학 및 전기 화

학 분야에 집중하여 아연공기전지의 상용화에 필요한 핵심 소재 및 부품들의 개발

과 대규모 생산에 필요한 설비 투자를 담당할 것이다.

다양한 차세대 전지 개발에 참여 중인 도요타

도 새로운 전해질 및 저비용 촉매 개발에 집중하

여 앞으로 10년 이내 전기자동차에 적용 가능한

리튬공기전지를 연구 중인 것으로 알려져 있다.

이처럼 금속공기전지의 상용화에 전지 산업

에 속해 있던 기업이 아닌 거대 기업들이 앞다투

금속공기전지는

혁신적인 에너지 밀도

상승이 가능하기 때문에

2차전지의 궁극적인

목표로 불리기도

한다.

”

“

스위스 리볼트가 개발한 아연공기전지 구성도

LGER

I 리포

트


전고체 전지는

전기자동차의 안전성

혁신에 필요한 전지

솔루션이다.

”

“어 많은 자원을 투자하고 있고, 이러한 현상은 당분간 지속될 전망이다. 금속공기전

지의 상용화가 그리 멀지 않은 느낌이다.

전고체 전지, 전지 전해질에 고체를 적용하여 안전성 혁신

창업 단계부터 전기자동차의 핵심은 2차전지에 있다고 판단한 도요타는 가장 많은

차세대 전지 솔루션을 직접 보유하고 있는 기업이다. 도요타의 창업주인 도요타 사

키치 회장은 이미 1925년에 석유 에너지의 한계를 직감하고 당시로서는 막대한 금액

인 100만 엔의 상금을 걸고 혁신적 전지의 개발을 독려하였다. 100만 엔은 당시 도

요타 방직 회사의 총 자본금과 유사한 규모의 막대한 금액이었기 때문에 수많은 과

학자가 개발에 뛰어들었고 많은 아이디어가 모였다. 창업주가 요구한 ‘출력 100마

력, 36시간 동안 동작 가능, 그리고 25kg 미만의 무게’ 조건을 만족하지 못하여 혁신

전지의 개발은 무산되었지만, 그러한 창업주의 의지는 아직까지도 도요타를 차세대

전지의 최강자 자리에 있도록 해주었다. 사키치 회장의 요구 조건은 100여 년이 지

난 지금까지도 도달하지 못한 도전적 목표로서 도요타는 전고체 전지, 리튬공기전

지, 그리고 마그네슘 전지 등을 장기적 관점에서 적극적으로 개발하고 있다.

자동차 기업으로서 전기자동차용 2차전지의 성능 혁신이 절실히 필요한 도요타

가 가장 심혈을 기울이고 있는 전지 솔루션은 전고체 전지다. 액체 전해질로 인한

리튬이온전지의 폭발 위험성을 해결하고자 황화물계 고체로 된 전해질을 활용하는

전지 솔루션이다. 전고체 전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이에 사용하

는 불안정한 전해질을 완전 고체로 대체하여 높은 출력과 안전성을 향상할 수 있게

하였다. 고체 전해질을 사용함으로써 과도한 충전 및 내

부 단락 등으로 인한 발화 가능성을 원천 봉쇄하였고,

생산공정도 혁신적으로 단순화하여 획기적 원가 절감을

가능하게 한 것이다.

일본 굴지의 석유·화학 기업인 이데미츠(Idemitsu)

도 신재생에너지의 기둥은 전지 기술이라고 믿고 차세

대 전지로서 전해액의 누설 걱정이 없고 대용량 구현도

충전

방전

고체전해질

음극양극

전고체 전지

LGERI 리포트


일본의 이데미츠는

2012년 사업화를

목표로 전고체 전지를

개발하고 있다.

”

“가능한 전고체 전지의 개발에 힘쓰고 있다. 이데미츠는 기존 2차전지에 들어 있는

전해질 용액을 황화 리튬이라는 고체 물질로 대체하였다. 황화 리튬은 원래 석유 정

제 과정에서 발생하는 유황을 활용한 기능성 수지의 원료이다. 이데미츠는 우연한

기회에 황화 리튬이 순도가 높고 이온 활동성도 좋다는 사실을 알게 되었고, 이를 2

차전지에 응용하는 연구를 2001년부터 오사카 대학과 공동으로 시작하여 2004년에

는 세계 최초로 기존의 전해질 용액과 같은 수준의 이온 전도도를 보유한 고체를 개

발하게 되었다.

이미 고체 전해질로서 황화 리튬의 제조 기술을 확립한 것으로 알려진 이데미츠

는 열에 강하고 고전압 특징을 가진 전고체 전지를 자동차, 산업 기기 등에 폭넓게

사용할 수 있다고 판단하고 2012년 사업화를 목표로 개발 완성도 상승에 심혈을 기

울이고 있다. 한편, 아직 본격 개발 단계는 아니지만, 삼성종합기술원도 일본에 소

재한 요코하마 연구소와 공동으로 고체 전해질을 연구 중인 것으로 알려져 있다.

대용량 에너지 저장에 적합한 차세대 나트륨계열 전지

나트륨계열 전지의 대표 주자는 2006년에 이미 상업화된 일본의 NGK가 개발한

NaS 전지다. NaS 전지는 양극에 황을 사용하고, 음극에 나트륨을, 전해질에 세라

믹 고체 전해질을 사용하는데, 양극과 음극 사이를 나트륨 이온이 이동하면서 충전

과 방전을 반복하는 원리이다. NaS 전지는 납축전지보다 에너지 밀도가 3배 이상이

고, 15년 이상의 오랜 수명을 유지할 수 있는 대용량 에너지 저장에 적합한 솔루션

이다. 문제는 작동을 위해서는 나트륨의 용융 상태를 유지해야 하고, 300도가 넘는

고온이 필요하다는 것이다. 고온을 유지하기 위해 높은 운영비용이 필요하고, 화재

예방 시설도 필요하다. 일본에서 NaS 전지는 실내에 설치가 금지될 정도로 위험한

전지 솔루션으로 분류되기도 한다.

차세대 나트륨계열 전지는 NaS 전지 운영상의 위험성을 개선하면서 대용량 에너

지 저장에 적합한 장점은 유지하는 방향으로 개발이 진행되고 있고, 대표적으로 GE

가 개발한 고 에너지 나트륨 전지, 일본의 스미토모 전공이 개발한 용융염 전해질 나

트륨 전지가 있다. 공통점은 나트륨 이온의 이동을 통해 전자가 발생하는 구조이다.

LGER

I 리포

트


차세대 나트륨계열 전지

개발은 운영상의

위험성을 개선하면서

대용량 저장에 적합한

장점은 유지하는

방향으로 진행되고

있다.

”

“2007년 영국의 Beta R&D를 인수하여 나트륨 전

지 개발을 시작한 GE는 이미 1억 6천만 달러를 투자

하여 생산 설비를 갖추고 있다. 사실, GE처럼 다양한

사업 모델을 수립하여 전지 산업에 진출해 있는 기업

을 찾기도 쉽지 않을 것이다. GE는 미국 최대의 리튬

이온전지 기업인 A123의 최대 지분을 보유하고 있으

며 모바일용 전지와 전기차용 전지의 시장 상황을 주시하면서, 전력 저장용 대용량

전지 개발에 막대한 금액을 투자하고 있다. 이와 같이 GE는 2차전지 시장에서 유망

하다고 전망되는 모든 세분 시장에 거대 자본을 발판으로 진입해 있는 기업이다.

GE가 개발 중인 고 에너지 나트륨 전지는 상대적으로 낮은 작동 온도와 MW급

이상의 대용량과 높은 출력 특성이 가능하기 때문에 GE가 기존에 보유하고 있는 발

전 및 전력 인프라 사업 경험을 활용하여 신재생 에너지, 스마트 그리드 관련 제품

및 서비스와 연계된 사업을 전개하기에 매우 유리한 전지 솔루션이다. GE는 고 에

너지 나트륨 전지를 철도, 해상용, 광산용 차량 등에 적용하여 전지 산업의 획기적

인 전환점을 만들 것으로 전망되기도 한다.

일본의 스미토모 전공도 소재 혁신을 통해 나트륨계열 대용량 전지 개발에 몰두

하고 있는 기업이다. 2011년 3월에 발표한 용융염 전해질 나트륨 전지는 기존 나트

륨계열 전지의 단점이던 300도 이상의 높은 가동 온도를 57도까지 낮추어 이로 인

한 발화 가능성을 제거하였다. 폭발을 방지하기 위한 방폭 장치, 폭발을 대비하는

소화 장비 등이 필요 없어서 소형 전지팩도 개발이 가능하다. 리튬이온전지와 비교

해도 에너지 밀도는 2배 이상, 원가 수준은 기존 리튬이온전지 대비 10% 수준에 불

과한 용융염 나트륨 전지의 상용화를 위해 스미토모 전공은 앞으로 전지의 시스템

화 기술을 확립하여 전력망, 가정 전력 저장용 등으로 상품화할 계획이다.

마그네슘 전지, 풍부한 마그네슘 자원 활용 가능성이 장점

마그네슘 전지는 음극에 마그네슘을 사용하여 전자의 이동량을 증가시켜 기존 전지

대비 에너지 밀도를 획기적으로 올릴 수 있는 전지 솔루션이다. 리튬이온전지에서

GE의 차세대 나트륨 전지

LGERI 리포트


마그네슘 전지는

용량의 향상과 가격의

하락을 동시에

실현시킬 수 있는

전지이다.

”

“전류를 만들 때 리튬은 1개씩만 전자를 움직이지만, 마그네슘은 2개씩 움직일 수 있

어서 이론적으로는 용량을 두 배 이상으로 확대할 수 있다. 저렴한 마그네슘을 사용

하였기 때문에 저가화도 가능하고, 또한 용량의 감소 없이 수천 번의 재충전도 가능

하고, 작동 온도 범위도 넓은 편이다. 마그네슘 전지는 미국 바일란 대학의

Aurbach 교수가 최초 개발하였고, 곧 이어 상용화를 목적으로 벤처기업을 세워 전

용 양극재 개발을 진행 중이다. 일본 교토 대학의 아베 교수도 양극에 산화물, 음극

에 마그네슘을 이용하는 다가(多價) 이온전지로서 마그네슘 전지를 개발 중이며 이

는 일본 국책 과제로 지정되어 추가 투자가 수행될 것으로 보인다. 국내에서는 LG

화학이 핵심 소재 개발을 통해 시제품을 개발 중이다.

Ⅳ. 차세대 전지의 높은 잠재력에 주목해야

차세대 전지로 인한 전지 산업의 변화

기업들의 빠른 발걸음으로 먼 미래의 일로 예상되던 차세대 전지의 상용화가 앞당

겨지고 있다. 빠르면 2세대 전기자동차가 등장하기 시작하는 2015년, 늦어도 신재

생에너지의 본격 확대가 예상되는 2020년에는 차세대 전지의 등장이 가시화될 것

으로 보인다. 차세대 전지와 함께하는 10년, 전지 산업은 어떻게 변화할까?

먼저, 차세대 전지로 인해 시장 창출이 지속적으로 이뤄지면서 전지 산업의 외형

이 더욱 확대될 것으로 보인다.

지금까지 2차전지의 시장은 모바일 IT 기기, 출퇴근용 소형 전기자동차, 비상 전

원 공급용 축전지에 한정되었지만, 차세대 전지의 혁신적 성능은 전지 시장의 저변

을 확대하며 기존 시장의 틀을 깨고 새로운 수요 창출도 가능하게 할 것이다.

예를 들어, 차세대 전지는 상용차나 철도, 선박 등 대형 수송 수단에 사용됨은

물론, 주거 및 상용 빌딩의 냉난방 및 공조에 필요한 능동적 에너지 제어 도구, 그리

고 서비스 로봇 등 다양한 영역에서 사용될 전망이다. 저장 용량의 한계로 송배전

단계에서만 사용되었던 에너지 저장 시스템도 차세대 전지를 통해 발전소 영역까지

LGER

I 리포

트


차세대 전지로 인해

전지 산업의 외형이

더욱 확대될 것이며,

전지 산업의 속성도

크게 변화할

것이다.

”

“진출하여 전력산업의 모든 단계에서 전력의 효율성 제고에 이바지할 것이다.

두 번째, 전지 산업의 매력도 상승으로 기업 간 경쟁은 더욱 치열해질 것이다.

이미 진입을 시작한 석유·화학 기업, 자동차 기업들에 이어 에너지 및 자원 기업,

건설사, 전력 기업들도 기회를 찾아 진입할 것이며 연구 개발과 설비 투자에 대한

규모도 지금과는 차원이 달라진다. 물론 사업의 리스크도 더 커진다. 품질 사고에

대한 리스크뿐 아니라 기술혁신의 속도가 가속화되면서 기술의 불확실성 상승, 다

양한 사업 모델 등장에 따른 사업의 복잡성이 크게 증대할 것이기 때문이다.

마지막으로, 전지 산업의 속성이 변화할 것이다. 모바일 기기에 전기에너지를

공급하는 정보전자부품 산업에서 전기자동차, 에너지 저장 시스템 등에 에너지 솔

루션을 제공하는 에너지 산업으로 진화하면서 성격이 달라질 것이기 때문이다. 따

라서 모바일 기기 산업에 갇혀 있던 전지 산업에 대한 인식, 전지 사업을 수행하는

마인드 및 접근 방법 등도 바뀌어야 할 것이다.

국내 기업들도 적극적으로 참여해야

최근 리튬이온전지 산업에서 한국 기업의 선전에 대한 잇따른 낭보가 들려오고 있

다. 소형 리튬이온전지의 시장 점유율 측면에서 드디어 일본 기업을 능가하였고, 전

기자동차용 전지에서도 계속되는 글로벌 자동차 기업과의 제휴 소식은 한국 전지

기업의 미래에 장밋빛 그림을 그려 주고 있다.8

하지만, 환경이 변하면서 2차전지에 대한 사용자들의 불만이 가중되는 이때 우

리의 경쟁력이 무엇이고, 어떻게 하면 지속 가능한 성장을 이룰 수 있는가에 대해

되짚어 볼 필요가 있다. 한국 전지 기업의 차별적 강점은 공정 혁신을 통한 효율적

생산, 규모의 경제에 의한 원가 경쟁력이다. 지속 성장을 가능하게 해주는 기초 소

재 기술이나 차세대 전지 개발 역량은 많이 부족한 상황이다.9

최근 한국 전지 기업의 약진에 위기의식을 느낀 일본 기업들은 과거와는 달리 생

산성 향상, 원가절감 등에 좀 더 힘을 쏟는 분위기지만, 그렇다고 차세대 전지에 대

한 자원 투입을 줄이지는 않는다. “사업성과를 위해서는 소재 혁신보다는 생산성 혁

8��2011년�2분기에�한국이�일본을�누르고�리튬이온전지�시장�점유율�1위�등극�전망(니혼게이자이,�2011년�6월�14일)

9��지식경제부가�발표한�주요�국가별�리튬이차전지�기술�수준�비교에�의하면�우리나라의�부품�소재�및�원천�기술�경쟁력은�일본의�

30~50%�수준

LGERI 리포트


확장하는 전지시장의

주도권을 확보하기

위해서는 차세대 전지

개발에 적극적으로

참여해야 한다.

”

“신이 옳은 방향이겠지만, 그렇게만 전지 산업이 흘러간다면 전지 자체의 발전을 찾

기는 쉽지 않을 것이다”라고 언급한 소니 출신의 2차전지 전문가의 견해는 차세대

전지에 대한 일본 전지 업계의 분위기를 대변해 준다고 할 수 있다.10

우리나라 전지 기업의 소재 역량이 약하다는 평은 어제오늘 얘기가 아니다. 극복

방안도 원론적인 접근 외에는 별다른 해답이 보이지 않는다. 하지만, 부족한 소재

역량으로 인해 차세대 전지에서 창출되는 무궁무진한 기회를 포기할 수는 없다. 안

되는 이유만을 나열하기보다는 우리의 강점인 전지의 제품화 역량을 기반으로 소재

전문 기업과의 제휴 등 적극적으로 소재 역량을 발굴하여 차세대 전지의 상용화를

주도한다면 취약한 소재 경쟁력도 비교적 빠른 기간에 확보할 수 있을 것이다.

에너지 산업의 패러다임이 ‘석유의 시대’에서 ‘전지의 시대’로 바뀌고 있다.11 ‘자

원을 많이 보유하고 발굴함’에서 ‘에너지 활용도의 극대화’로 탈바꿈하는 시점에서

에너지 산업의 기존 질서를 무너뜨리고 미래 에너지원으로 주목받는 2차전지 산업

의 주도권을 국내 기업들이 확보하기 위해서는 차세대 전지에 주목해야 할 필요가

있다. 힘겹게 획득한 소형 2차전지 시장의 주도권을 발판으로 새로운 시장에서도 주

도권을 유지하는 방편으로 소재 기술 혁신을 통한 차세대 전지 개발과 생산성 혁신

을 위한 공정 기술 간의 균형을 맞추는 것에 대해 고민이 필요한 시점이다.

10　IIT�보고서�(2011년�6월)

11　"전지를�제패하는�자가�세계를�제패한다"(닛케이�비즈니스,�2008년�9월)

www.lgeri.com

녹색 시대의 총아, 2차전지 · 친환경 신재생에너지 산업이 세계적인...

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