Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(1)

전기차용 고에너지밀도 리튬 이차 전지 제조를 위한 친환경 건식 극판 기술

최정현_ 한국세라믹기술원 선임연구원
　
1. 전기차용 리튬 이차 전지 시장 및 기술 동향

급격한 기후 변화에 대한 대응책으로 지구의 평균온도 상승 폭을 최소화하기 위한 파리협약이 2016년 기후변화당사자국총회에서 참가국의 만장일치로 체결되었다. 2017년 미국 트럼프 정부의 탈퇴 선언으로 실효성에 대한 위기에 봉착한 바 있으나, 2021년 바이든 정부의 협약 재가입으로 지구 온난화 대응을 위한 전세계적인 노력이 재개되고 있는 상황이다. 국제사회에서는 파리협정 발효에 따라 2010년 대비 2030년까지 온실가스 45% 감축 및 2050년까지 Net-zero, 즉 탄소 중립에 대한 달성이 의무화되었다. 이에 따라 각국은 탄소 중립 달성을 위한 적극적인 환경규제 및 친환경 에너지원으로 전환을 모색하고 있는 상황이다.
　

　그림1. 파리 협정 발효에 따른 e-mobility 전환 시작
　
　탄소 중립에 대한 요구가 산업 전반에 강화됨에 따라, 주요 탄소 배출원 중 하나로 지목받고 있는 수송 분야에 대한 친환경화를 위해 세계 각국이 새로운 규제 및 신산업 육성을 통해 노력 중이다. 유럽 연합 내 선진국들이 내연기관 자동차의 생산중단 계획을 발표하고 친환경차 보급 확대를 급속히 추진 중에 있다. 우리 정부 또한 2030년까지 전기자동차를 785만대 보급해 자동차 온실가스의 24%를 감축하는 것을 목표로 하고 있다.
　

그림2. 전기차 및 리튬 이차 전지 시장의 폭발적인 성장

　전기차의 폭발적인 성장에 힘입어 전기차용 이차전지에 대한 수요도 함께 증가하고 있다. 2018년 처음 100 GWh를 넘긴 전기차용 이차전지의 사용량은 2030년 3066 GWh까지 늘어날 것으로 전망되며, 이에 따라 리튬 이차 전지 전체에 대한 수요는 2019년 기준 198 GWh에서 2030년까지 3392 GWh 규모로 폭발적인 속도로 성장할 것으로 예상된다. 글로벌 이차전지 시장 규모는 2020년 기준 461억 달러에서 2030년 3천517억달러로 8배 성장할 것으로 예상되며, 이는 현재 국가 주력산업인 반도체의 세계 시장 규모 (5272억, 2021년 기준)와 맞먹는 수준이다. 국가적 새로운 성장 동력을 확보하기 위해서는 이차전지 시장에 대한 지배력 강화와 신규 시장 발굴이 필수적이다.
　이차 전지의 발전은 시장에서 가장 많은 비중을 차지하는 전기차 시장의 요구에 맞추어 진행되고 있다. 전기차 시장 성장의 경쟁 상대는 결국 기존의 내연 기관 자동차이기 때문에, 전기차 시장의 성장을 위해서는 내연 기관과의 경쟁 우위 확보가 중요하다. 현재 내연 기관 대비 전기차가 가장 열세에 있는 부분은 1회 충전 시 주행 가능한 거리와 가격 경쟁력이다. 이에 따라 주행 거리 확보를 위한 에너지밀도 증가와 더불어, 전기차 보조금 폐지 이후 동등한 가격 경쟁력 확보를 위한 전지 단가 저감을 목표로 많은 연구 기관 및 기업들이 연구를 수행 중이다.
　기존 리튬 이차전지의 기술 경쟁력은 양/음극재의 소재 또는 조성 변경을 통해 진행되어 왔으나, 점점 성능 개선 폭과 속도가 둔화되고 있다. 전기차용 이차전지에 주로 사용되고 있는 양극 소재인 NCX (X = Mn or Al)의 경우, Ni 함량의 증가를 통해 용량을 향상시킬 수 있다. 그러나 Ni의 함량 증가는 전지 수명의 안정성을 급격히 저하시키는 요인이다. 현재 양극 Ni 함량이 이미 90%에 가까운 수준에 도달한 상황이라, 추가적인 용량 개선이 한계에 부딪힌 상황이다. 이에 따라 최근에는 고용량 음극 소재를 이용해 전지의 에너지밀도를 개선을 위한 연구가 집중되고 있다. 그러나 고성능 소재의 경우 기존 소재 대비 가격이 매우 높게 형성되어 적용이 어려우며, 일반적으로 소재의 성능은 가격에 비례하는 것을 감안할 때, 가격 저감과 고에너지밀도화를 동시에 달성하는 것은 많은 문제점을 해결해야 하는 상황이다.

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