이차전지 산업은 최근 전기차 시장의 급격한 확대를 기반으로 20% 이상의 고성장을 계속하여 2030년 400조 원 이상을 전망하고 있다. 우리나라 전지 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션)들은 세계 시장 선점 및 확대를 위해 유럽, 미국 등으로 진출하면서, 중국과의 생산 경쟁 및 미국, 유럽 등의 신규업체와 경쟁 중이다.
이차전지는 전기차 이외에도, 개인용 이동 수단, 친환경 선박, 대규모 전력 저장 등 다양한 수요산업의 요구에 따라 특화된 이차전지 기술 개발 경쟁이 진행 중이다. 현재의 리튬이온전지 기술은 상용 리튬이온전지의 지속적인 고성능화와 함께, 전고체전지 등과 같은 차세대 전지 개발을 본격화하고 있으며, 스마트폰, 전기차, ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치) 화재 발생 사고로부터 이차전지의 안전성에 대한 이슈가 부각되고 있어, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다. 또한, 동시에 안정적인 시장 확대를 위해서 더욱 경쟁력 있는 가격으로 배터리를 공급할 수 있는 저가격화는 산업에 있어 필수적이다.
따라서 미래의 이차전지 기술은 50% 이상 향상이 가능한 고성능, 충분히 시장에 접근할 수 있는 저가격, 사용자가 믿고 사용할 수 있는 고안전을 위한 기술에 초점을 맞춰 기술 개발이 진행되어야 한다.
이에 배터리의 고성능화, 저가격화, 고안전화를 요구하는 수요산업의 니즈를 반영하여, 이를 구현할 수 있는 세 가지 문제 해결 방향성을 기초로 기술 개발전략을 설정하였다.
이차전지 고성능화 기술 개발 전략
현재 상용 리튬이온전지는 에너지밀도 측면에서 기술적 한계에 접근함에 따라 이를 극복할 수 있는 차세대 이차전지 기술 개발의 필요성이 갈수록 증가하고 있으며, 이러한 기술에는 고체전해질, 리튬금속 등 혁신 소재 및 이를 사용하기 위한 제조공정 기술 개발이 필요하다. 전 세계적으로 차세대 전지 기술은 시제품 수준의 성능 검증 중이며, 공정성, 품질, 가격 등 제품화 기술 개발이 추가로 필요하여, 차세대 전지 시장 개화 시기는 2030년 이후로 예상된다.
이에 정부에서는 2021년 7월에 ‘K-배터리 발전전략’을 발표하면서, 차세대 배터리 1등 기술력 선점을 위해 차세대 배터리 상용화를 위한 초대형 연구개발 사업 및 인프라 구축을 천명한 바 있으며, 이의 후속으로 ’23년부터 6년간 ‘고성능 차세대 이차전지 상용화 기술 개발사업’ 추진을 3,000억 원 규모로 준비하고 있다.
차세대 전지 대표 품목 및 개발 방향을 살펴보면, 에너지밀도가 우수한 황화물계 전고체전지는 전기차용 및 군용 등 극한 환경용으로 개발하고, 안전성이 특히 우수한 산화물계 전고체전지는 초소형 on-chip형부터 ESS까지 시장 맞춤형 기술 개발 추진을 준비하고 있다. 또한 리튬황전지의 경우에는 소형화, 경량화가 가능한 특성을 기반으로, 항공·드론용 등 경량화가 필요한 분야 및 섬유·전자기기 등 플렉서블 이차전지가 필요한 신규 시장 창출을 모색하고자 한다. 이외에도 상용 리튬이온전지의 성능 극대화를 위해서 초고용량 소재인 실리콘 음극재 사용량을 30% 이상 확대하고, 전극 두께를 기존 대비 몇 배 이상 극대화하는 등의 한계성능 돌파형 차세대 전지 개발을 추진할 계획이다.
이차전지 지능화 기술 개발 전략
이차전지의 주요 수요산업에서 요구하는 고성능화에 따라 전지의 안전성에 대한 이슈가 증가하고 있으나, 갈수록 많은 에너지를 담고자 하는 배터리 특성상 100% 안전을 보장하는 기술 개발은 현실적으로 불가능한 것이 사실이다. 따라서 배터리 사용 분야의 지속적인 확대에 따라 배터리의 안전성 및 신뢰성 향상을 어떻게 구현할 것인가에 대한 기술적 요구가 증가하고 있다. 이에 대한 해결방안으로 배터리의 지능형 관리체계 구축을 위한 기술 개발이 시급해지게 되었다.
다양한 내·외부 원인에 의해 배터리가 이상 거동을 하는 경우에 이를 스스로 감지하고, 화재 등의 사고 시 이를 스스로 억제 및 제어할 수 있는 새로운 방향성에서의 배터리 기술 개발이 요구되고 있으며, 특히 장기간 사용을 위해 성능 열화 시 스스로 성능을 유지할 수 있는 기능 구현까지 배터리 기술은 확장되어야 할 필요성이 대두되고 있다. 이러한 지능형 제어·관리를 통해 배터리 사용에서 안전성이 향상되고, 이를 통해 사용 후 배터리의 2nd life 시장 창출도 모색이 가능할 것으로 기대하고 있다.
이에 ’21년 신규 기술 개발 과제로 발화 지연 및 확산 방지를 위한 모듈 내 소화 패치 기능의 소재 개발 및 모듈 적용 기술 개발 과제를 진행 중이며, 이를 확대하여 자가 감지·자가 억제·자가 치유 기능을 구현할 수 있는 ‘지능형 배터리 기술 개발’ 사업(가칭)을 대형 연구개발사업으로 추진하고자 한다.
이차전지 친환경 기술 개발 전략
이차전지, 특히 리튬이차전지는 니켈, 코발트, 리튬 등 희유금속을 사용하기 때문에 가격 측면 및 최근 부각되고 있는 친환경성 측면에서 문제가 제기되고 있다. 전기차 점유율이 증가함에 따라 탄소 배출 저감에 매우 중요한 역할을 하고는 있지만, 사용되는 원료에서 환경 문제 이슈가 부각되고 있어, 이를 해결하기 위한 다양한 노력이 필요한 시점이다. 이에 2020년 12월에 유럽 집행위원회에서는 2025년까지 산업용 및 전기차용 배터리의 탄소 배출량 공개를 의무화했으며, 2030년까지는 배터리 제조과정에서의 탄소 배출량 규정을 도입하기로 하였다. 또한 폐배터리의 재활용을 위한 추가적인 목표도 표 2와 같이 제시하였다.
우리나라 배터리의 경우에는 배터리의 주요 원재료를 100% 수입에 의존하고 있는 특성상, 폐배터리로부터 니켈, 코발트 등의 핵심 원재료를 재활용할 필요성은 갈수록 강조되고 있다. 이에 리튬 등의 재활용률 및 공정 자동화율 제고를 통해 폐자원의 재활용 경쟁력을 확보하고, 동시에 저탄소 재제조 기술 등 친환경 공정 개발을 지속 추진할 계획이다.
우리나라는 리튬 기반의 고성능 배터리 분야에서 세계 1위 기술을 보유하고 있다. 그러나 기존 경쟁 상대국인 중국, 일본 및 미국, 유럽의 잠재 경쟁국과의 기술 경쟁에서 우위를 지속해서 유지하기 위해서는 차세대 전지 분야 고성능 배터리 및 소재·부품·장비 기술을 확보하고, 동시에 고성능 이차전지를 보다 안전하게 재사용할 수 있는 지능형 배터리 및 진단 관리 기술을 확보하며, 이차전지의 제조부터 폐기까지 저탄소 배출이 가능한 친환경 배터리 및 재활용 기술개발에 집중하여야 한다.
이를 위해 정부에서는 현재의 상용 배터리의 성능을 고도화하고, 차세대 이차전지 기술을 선점하며, 소재부품 국산화와 관련된 이차전지 핵심기술을 국가전략기술로 선정하여 연구개발 시 최대 40~50%, 시설투자 시 최대 20% 세액을 공제해 주는 세제지원 강화책을 발표하였다(표 3).
이러한 세제지원을 바탕으로 우리나라 이차전지 산업 생태계를 보다 확대 발전시켜나감으로써, 미래 배터리 사회는 친환경적으로 제조한 고성능 이차전지를 지능화하여, 사용자가 더욱 안전하게 믿고 사용할 수 있는 환경 구축이 가능할 것으로 기대한다.
