Special 세계시장 선점(WPM) 10대 핵심소재 개발을 위한 세라믹스소재 개발 동향 /장동식

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특집

편집부
등록 2011-02-22 18:09:15
수정 2016-03-21 21:00:48

WPM 6분과/ 차세대 리튬 이차전지
소재기술 개발 동향

장동식 삼성 SDI 중앙연구소장 전무 (WPM 6분과 사업단장)

1. 서론
고성능 Note PC 및 고기능 Smart phone의 본격적인 보급으로 소형 IT용 고용량 리튬 이차전지 시장의 요구가 급속도로 증가하고 있으며, 최근 친환경 및 저에너지 소비 이슈로 자동차용과 전력저장용 분야에 중대용량의 전지의 needs가 증가되고 있는 상황에서 리튬 이차전지는 소형 IT 분야를 넘어서 중대형 분야 적용을 위하여 적극적으로 개발되고 있다. (그림 1)
소형 IT 분야뿐만 아니라 중대형 자동차 및 전력저장용 분야를 포함한 리튬 이차전지의 전세계 시장 규모는 현재 약 13조원 정도이지만, 본격적인 보급이 예상되는 2015년경에는 약 40조원, 그리고 성숙기로 예상되는 2020년경에는 약 100조원이 넘는 시장이 형성될 것으로 예상된다. 또한 이 시장을 세분화해서 분석해 보면, 소형 IT 시장은 성장률이 어느 정도 수준에서 포화상태가 될 것으로 예상되지만, 자동차용 및 전력저장용 전지 시장은 전기 자동차의 보급 및 에너지 효율화 이슈로 급격하게 성장할 것으로 예상된다. (그림 2)
대한민국의 경우, 2000년부터 삼성SDI와 LG화학이 일본보다 약 10년 뒤쳐져 소형 리튬 이차전지 양산을 시작하였으나, 현재 세계 M/S의 경우, 두 회사 점유율이 일본 업체 전체 점유율과 거의 비슷한 수준을 유지하고 있으며, 내년에는 일본업체 전체 점유율을 앞지를 전망이다.
이렇듯 소형 리튬 이차전지 시장의 경우, 10년 동안 정부의 지원 및 국내 업체들의 적극적인 개발과 투자에 힘입어 비약적인 발전을 하였으나, 중대형 전지 분야는 일본, 미국에 비하여 상당한 기술적 격차가 있으며, 국가적으로도 R&D 투자가 아직까지는 미온적인 상황이다.
더욱 심각한 것은 소형 전지뿐만 아니라 중대형 전지분야에서도 리튬 이차전지의 핵심부품으로 여겨지고 있는 양 음극 소재, 분리막 및 전해액 등은 대부분 일본 및 중국에서 수입해서 사용하고 있는 상황이어서 이런 상황이 지속된다면 앞으로 대한민국의 리튬 이차전지 산업의 경쟁력은 장담할 수 없는 상황으로 치달을 것이다.
그림3에서 알 수 있듯이 리튬 이차전지의 양 음극 소재는 전지 전체에서 약 50% 이상의 가격 비중을 차지하고 있으며, 또한 양 음극 소재의 특성에 따라 전지의 성능이 좌우되기 때문에 매우 중요한 소재라고 할 수 있다. 그러나 대한민국의 상황을 보면 소재 국산화율이 양극은 20% 이하, 음극의 경우는 거의 0%이기 때문에 소재 국산화 및 개발이 적극적으로 요구되고 있다. 소형 IT분야에서의 양, 음극 소재 사용량은 그리 많지 않지만, 중대형 전지의 경우는 소형 전지의 100~1000배 이상의 소재가 사용되기 때문에 이런 상황이 지속된다면 대한민국의 전지 소재 산업뿐만 아니라 리튬 이차전지 산업 전반에 매우 심각한 영향을 미칠 것으로 예상된다.

2. 본론
정부는 리튬 이차전지 산업을 국가의 차세대 먹거리 산업으로 판단하고, 소형 IT 분야는 시장 논리에 맡기기로 정리하는 한편 중대형 전지 분야에 대해서는 적극적인 지원 및 육성을 추진하기로 결정하여 ‘09년 하반기에 WPM
(World Premier Materials) 과제를 기획하였다. WPM 과제는 향후 10년 후, 전 세계 시장이 약 1조원 이상이 될 수 있는 소재 분야 중 대한민국이 30%이상 M/S를 차지할 수 있는 가능성이 있는 핵심 소재 분야에 약 1조원의 연구개발비를 투자하는 단군이래 최대의 R&D 프로젝트이다. 최초 20여 개 과제가 기획되었으나, 세부 기획을 통해 10개 과제가 최종 선정되었으며, 그 중 리튬 이차전지용 핵심소재 개발 과제가 포함되어 있다.
WPM 이차전지 소재 개발 과제 내용을 살펴보면, 자동차용과 전력저장용 분야의 양극, 음극 소재 개발의 4개 세부과제로 되어 있는데, 각 세부 과제의 목표를 그림 4에 나타내었다. 각각의 소재의 경우 가격과 성능 목표가 있으며, 이를 동시에 만족하는 세계 최고 성능의 최저가 소재를 개발하는 것이 사업목표이다. 이런 개발 목표를 달성 하였을 때 효과를 살펴보면, 전기자동차는 현재보다 항속거리를 2배 이상 향상시키는 효과를 얻을 수 있으며, 전력저장용은 현재 가격보다 1/5 수준 이하의 전지 개발이 가능할 수 있다.
이를 좀 더 구체화시킨 내용을 그림 5에 나타내었다. 현재 수준의 양 음극 소재로부터 향후 개발 하여야 할 목표를 도식화 하여 나타내었다. 이와 같이 WPM 이차전지 소재 개발의 목표는 현 수준 대비 매우 어려운 목표이며, 이를 달성하기 위해서는 많은 고민과 전략, 노력이 필요할 것으로 예상된다.

2-1. 전기자동차용 양극, 음극 소재 개발 동향
최근 들어 미국을 비롯한 선진국을 중심으로 자동차 배기가스로 인한 CO2가스 등 환경오염에 대한 우려와 석유등 원자재 가격 급등 등의 에너지 고갈의 심각성이 대두되면서 친환경 자동차 개발에 대한 요구가 커지고 있다. 더욱이 최근 몇 년 사이에 이차전지 기술에서 다양한 재료의 시도와 기술적 진보가 나타나기 시작하면서 하이브리드 및 전기자동차의 실용화에 근접되기 시작하고 있다.
현재 하이브리드 전기자동차(HEV)는 상용화되어 있으며, 엔진이 없이 전기에너지로만 구동하는 전기자동차(EV)도 현재 개발 중으로 2010년 이후 본격적으로 상용화 될 예정이다. 하지만 이는 소형 승용차에 제한되며 1회 충전 후 주행가능 거리가 160km로 한정된다. ‘10년 출시된 일본 미쯔비시자동차의 i-MiEV에 탑재한 리튬 이차전지는 16kWh로 1회 충전 후 주행거리는 100~130km 정도이고, 일본 닛산에서 출시예정인 LEAF는 24kWh의 이차전지를 탑재하여 1회 충전 후 주행거리는 160km이다.
전기자동차의 주행거리 및 가격경쟁력 향상을 위해서는 전력을 저장하는 이차전지가 핵심 요소이고, 특히 현재 하이브리드 전기자동차에 장착되어 실용화된 니켈 수소 이차전지보다 체적 당 에너지밀도와 질량 당 에너지 밀도가 높은 리튬 이차전지가 전기자동차에 적용하기 위한 검토가 많이 이루어지고 있다. 하지만 현재의 리튬 이차전지의 성능으로는 가솔린 자동차 수준의 주행거리와 가격을 달성하는 것에 한계가 있으므로 리튬 이차전지의 에너지저장 용량을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다. 또한 세계적인 수준에 근접하고 있는 국내 이차전지산업의 가격경쟁력 확보를 위해서는 60% 이상을 차지하고 있는 재료비 절감이 필수적으로 요구되며, 특히 재료비의 50% 이상을 차지하는 전극(양극, 음극)소재를 범국가적인 혁신기술 개발을 통해 제조단가 당 리튬이온 에너지 저장량을 현저히 높여야만 한다.
기존 소형 리튬 이차전지의 에너지밀도는 거의 이론적 한계에 도달하여, 새로운 고용량 신소재 및 설계 기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 기존 대표적인 양극활물질인 LiCoO2의 경우 에너지밀도의 증가와 출력특성의 한계치에 도달하고 있다. 또한 고에너지 밀도 응용 분야에 사용될 경우 그 구조적 불안정성으로 인하여 고온 충전 상태에서 구조 변성과 더불어 구조내의 산소를 방출하여 전지내의 전해질과 발열 반응을 일으켜 전지 폭발의 주원인이 된다.
이에 따라 고용량화/고에너지 밀도화를 위해 LiNi0.8Co0.2O2, LiMn2O4, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiNi1/2Mn1/2O2, LiFePO4, Li1.2Mn0.6Ni0.2O2등의 차세대 소재가 활발히 검토되고 있다. 아래 표 1에 양/음극 시스템별 출력, 에너지 등의 성능을 비교 분석한 결과를 나타내었다.
기존의 음극 활물질 재료로서 상용화된 고결정질 탄소재는 첫 번째 cycle 에서 전해질과 리튬이 반응하여 고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interface, SEI)을 형성하며, 충방전시 부피변화가 작아 SEI의 파괴가 일어나지 않으므로 우수한 cycle life 특성을 나타내는 장점이 있다. 탄소계 재료는 용량이 높고, coulomic efficiency가 크며, 방전전압이 거의 0 V vs. Li/Li+로 낮을 뿐만 아니라 평탄하며, Li 이온의 삽입/탈리가 가역적이고, 에너지 효율이 높으며, 안전성이 높다는 장점을 가지는 등 전지 활물질로서 제반특성이 우수함에도 불구하고 이론용량이 372mAh/g으로 제한되어 있다는 문제점이 있어 차세대 고용량의 리튬 이차전지를 개발하기 위해서는 비탄소계 음극 활물질의 개발이 필수적이라 할 수 있다.
현재 차세대 음극재료로 주목받고 있는 것은 Sn과 Si다. 고용량이 기대되는 Sn과 Si와 일반적인 음극재료인 흑연의 이론용량을 비교해 나타낸 표 3을 보면, 체적당 용량에서 흑연/Li의 값 대비 Sn은 8.6배, Si는 11.7배를 가진다.
하지만, Sn과 Si에도 문제점이 있으며, 가장 큰 문제는 Li를 흡수/저장하면 200~300%로 체적이 팽창하는 것이다. 이 때문에 충·방전시에 커다란 기계적 스트레스가 생긴다. 그 결과 음극이 파괴되어 미립자화되고, 충·방전 사이클 특성이 쉽게 열화된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Sn의 경우는 복합화, 합금화 등의 접근법이 행해지고 Si의 경우는 박막이나 나노화, 섬유형화 등의 방법이 검토되고 있다.
현재 전동차량용 등의 대용량 리튬 이차전지에는 3원계(Li(Ni-Mn-Co)O2) 혹은 망간산리튬(LiMn2O4), 인산철리튬 (LiFePO4)을 양극재로, 흑연을 음극재로 이용하는 것이 주류이며 향후 개발은 ①Energy밀도 향상, ②안전성 확보, ③저Cost재료 채용의 세 가지를 필수 조건으로 진행될 것이라 보여진다.

2-2. 전력저장용 양극, 음극 소재 개발 동향
지금까지 리튬이차전지는 소형 모바일 기기의 수요를 중심으로 시장 성장과 기술 개발이 함께 이루어져 왔다. 이러한 과정에서 축적된 기술과 친환경의 장점을 바탕으로 이제 리튬 이차전지는 전력 저장용 중대형 분야에서도 적용 범위를 넓히는 시도가 이루어지고 있다. 리튬이차전지는 동일 부피당 낮은 중량, 높은 에너지밀도, 디자인의 우수성으로 기존의 니켈 카드뮴전지(NiCd)나 니켈 수소전지(NiMH)를 급속히 대체하여 이미 휴대용 통신기기, 전동공구, 노트북 컴퓨터 등의 소형 전자기기의 전력원으로 현시장의 90%를 차지하고 있다. 또한 이러한 경쟁과 발달 과정에서 축적된 기술과 환경친화성, 경제성 등의 장점에 힘입어 전력 저장용 중대형 전지 분야에서도 에너지밀도가 낮고 인체에 유해한 납축 전지를 대신할 핵심적인 후보로서 주목 받고 있다.
리튬 이차전지가 중대형 전지 분야에 주력 위치를 확고히 하기 위해서는 고효율, 고용량, 장수명, 저가격화 기술이 필요하며 특히 높은 전압 등을 통한 고에너지밀도, 저가의 출발원료 사용과 제조기술의 최적화를 통한 저가 소재의 개발이 선행되어야 한다. 본 WPM사업을 통하여 개발하고자 하는 전력저장용 양극소재는 (1). LiFePO4, (2). LiMPO4 (M=Ni, Co, Mn, Fe), (3). LiFeSO4F, LiMBO3 (4). LiMxMn2-XO4이며, 고에너지, 고안전성이라는 요구조건을 충족시킬 수 있는 차세대 물질로 주목 받고 있는 소재들이다. 이들 물질의 특징과 연구방향에 대한 개요를 아래의 표 4에 정리하였다.
전력저장용 음극소재는 자동차용 음극소재와 비슷한 맥락에서 개발이 진행되고 있고 저가격화에 초점이 맞춰지고 있으므로, 앞서 소개한 전기자동차용 소재 개발동향의 내용을 참고하기 바란다.
마지막으로, 리튬 이차전지는 양극소재, 음극소재, 전해액, 분리막 등 여러 재료를 조합하여 전지로서의 특성을 균형 있게 갖추도록 하는 것이 중요하다. 개별적으로는 고성능인 양극소재와 음극소재를 합쳐도 고성능을 이루지 못하거나 전극소재와 전해액의 특성이 맞지 않는 경우도 많다. 이점을 항상 유념하며 개발에 임하는 것이 개발과정에서의 범하는 오류를 줄일 수 있는 지름길이라고 하겠다.

3. 결론
기 언급하였지만, 리튬 이차전지는 새로운 응용분야의 적용 확대를 통하여 향후 시장이 급속도로 팽창할 것으로 판단되며, 이를 기반으로 하는 소재 산업 역시 매우 중요하고, 시장이 크게 형성될 것으로 전망된다.
이런 상황에서 WPM 이차전지 소재 개발 과제는 매우 중요한 의미를 갖는다고 생각되고, 국내의 열악한 중소 소재 업체 육성을 통한 전지 산업의 경쟁력 확보는 향후 대한민국의 새로운 먹거리 창출에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
삼성SDI는 본 과제의 총괄 책임 역할을 하는 국내 최고의 리튬 이차전지 기업으로서 책임감을 느끼고, 국내의 중소 소재 전문 업체와 함께 국내 리튬 이차전지 전방위 사업 확장 및 경쟁력 확보에 기여하고자 한다.
본 과제에서 요구하는 목표는 성능과 가격을 모두 만족시키면서 10년 후 M/S 30%를 달성해야 하는 중대형 전지의 양 음극 소재 개발이기 때문에 그림 7에 나타낸 바와 같이 가격 저감을 위해서는 소재개발 만큼이나 원재료와 공정개발, 설비개발도 중요도를 가지고 함께 검토되어야 한다고 결론을 내리고 사업 참여기관들을 선정하였다. 원재료업체와 리사이클 업체는 사업에 직접 참여하지 못하지만 사업단내 참여기관들과의 지속적인 기술교류 및 협업을 추진하여 개발된 소재가 시장에서 경쟁력을 가질 수 있도록 협력전략을 수립하였다. 또한 그림8에 나타낸 5대 사업전략을 수립하여 집중함으로써 목표를 달성하고자 하였다.
본 과제가 성공적으로 개발되었을 때, 국가 경제에 기여하는 효과를 그림 9에 요약하였다. 유형적 효과로는 현재의 중소기업의 중견기업 육성화 및 경쟁력 있는 소재 개발 및 사업화를 통한 신규 매출 창출, 이를 통한 고용효과 등의 효과가 있겠지만, 무형적 효과로는 경쟁력 있는 소재의 내재화 및 국산화를 통한 국내 전지 사업의 경쟁력 제고를 통한 차세대 성장동력을 견인할 수 있다는 것이 더욱 값진 결과라고 예상된다.