지식경제부 산하 지식경제 R&D 전략기획단(단장 황창규)은 최근 서울 삼성동 COEX 401호에서 ‘녹색성장 선도 미래 소재·부품 R&D 전략’이라는 주제로 소재부품 산업 분야의‘Global R&D Forum 2012’를 개최했다. 이날 전략기획단 홍순형 박사(부품소재산업 MD)가 주관한 글로벌 R&D 포럼에서는 에너지 산업분야의 미래 R&D 전략과 관련, 이를 구체화시키기 위한 기술개발 과제를 에너지 생산, 저장 및 소비의 3개 세션으로 나눠 모두 10명의 산학연 전문가가 주제발표를 통해 추진 방향을 제시했다. 이번호에는 그 일곱번째로 김명환 부사장(LG화학·배터리연구소장)’ 의 ‘리튬이온이차전지 개발 현황’에 관한 발표 내용을 싣는다. |
⑦‘리튬이온이차전지 개발 현황’
김명환 부사장(LG화학.배터리연구 소 )
-에너지 저장용시스템 시장이 2020년도에 35조원 규모
이중 약 70%가 리튬이온 배터리가 차지할 것
신규소재 발굴 등을 통한 지속적인 전지성능 향상은 계속될 것
제가 오늘 발표할 내용의 타이틀을 ‘리튬이온이차전지 개발 현황’이라고 했지만, 에너지 저장 스토리지 시스템 쪽, 우리가 EV 쪽에 상당히 많은 연구도 하고 있고 실제 상업화돼 있지만 에너지 저장 쪽에 대해서는 많이 발표 하지 않았다. 그래서 오늘 우리가 수행하고 있는 리튬이온이차전지의 일반적인 개발 현황을 소개드리고자 한다.
전지라는 것이, 특히 리튬이온전지가 1991년도 일본에 소니가 처음으로 모바일용으로 개발을 시작했고, 상품화에 나섰다. 그러면서 본격적인 시장의 관심을 받게 됐고, 전지가 시장에서의 요구를 충족시키면서 새로운 애플리케이션으로 움직이고 있다. 그것이 최근에 그린카에 해당되는 친환경 자동차인 하이브리드자동차라든가 또는 하이브리드를 넘어서 EV나 플러그인 하이브리드 쪽으로 시장이 확대되고 있는 추세를 보이고 있다.
시장은 약 5년~10년 식으로 뒤를 쫓아오고 있는데 stationary 에너지저장 시스템 쪽으로, 지금까지는 centralize돼서 전기 공급을 받고 있지만 앞으로는 decentralize 될 것으로 보고 있다.
물론 스마트그리드라든가 이런 것도 중요한 역할을 하게 될 텐데 여기에 필요한 에너지 저장 장치로서 상당히 많은 것들이 있다. 현재 검토되고 있는 것들도 있고, 실제로 사용되고 있는 것들도 있다. 리튬이온전지도 여기에 좋은 하나의 캔디데이트로 들어가게 됐다.
이 에너지 저장용 전지가 들어갈 수 있는 시장을 구분해 보면 크게 그리드가 있고, UPS가 있다. 그리드라는 것은 우리가 발전을 해서 송·배전, 그리고 가정에서 쓴다든가 산업에서 쓰게 되는 전기 계통을 얘기하는 것이고, UPS라고 하면 individually 위급상황에 필요로 하는 전원 공급 장치가 되겠는데, 최근에는 UPS가 상당히 중요한 이슈로 떠오르고 있다.
리튬이온전지 시장을 보면 규모가 약 17조 정도 되는데, 좀 더 구체적으로 분리해 보면 에너지 저장용 시스템, 이 ESS 시장은 전체적으로 오는 2020년도에 35조 정도 될 것으로 예측되고 있다. 이중에서 약 70%가 아마도 리튬이온 배터리일 것으로 보인다. 이는 10㎾에서 1GW까지의 영역, 그리고 사용시간도 수초에서 10시간까지 이런 전체범위 내에서 상당부분을 리튬이온전지가 커버해 줄 수 있기 때문에 미래 에너지 저장시스템으로 유망하다고 보고 있다.
여기 Lead Acid 같은 경우는 가격이 굉장히 싸지만 메인터넌스 비용 같은 것은 상당히 비싸다. 그래서 이것은 메인터넌스 비용 같은 것은 포함돼 있지 않다. xEV, 소위 말해서 HEV, PHEV 이런 BEV, BEV는 Battery Electric Vehicle를 BEV라고 하는데, 그런 시장에서 리튬이온전지를 보면, 한번 충전해서 갈 수 있는 수준이 지금 100마일을 얘기하죠. 160㎞ 정도로 되는데, 2020년 되면 한번 충전해서 약 250㎞ 정도는 갈 수 있을 것이다. 이것은 동일부피, 동일무게 개념이라고 생각하시면 된다. 이러한 방향으로 움직이고 있기 때문에 같이 기술이 발전하면 에너지 스토리지 시스템에서도 상당한 활약을 할 것으로 예상하고 있다.
참고로 자동차 쪽을 보면, 이는 소형전지에서도 그랬고 자동차도 그랬고 리튬이온전지라는 것에 대해서 물음이 초기에는 굉장히 많았고, ‘비싸다’ ‘위험하다’ 등등 소형전지 같은 경우 여러분 기억나실지 모르겠지만 처음에는 니켈 카드뮴 전지라는 것을 썼으나 그것이 니켈 수소전지로 바뀌었고, 니켈 수소전지는 그 당시 상당히 새로운 시스템이었는데 리튬이온 때문에 시장에서 금방 사라진 전례가 있다. 마찬가지로 자동차도, 자동차에서 ‘친환경자동차’ 하면 도요타에 프리우스인데, 프리우스는 97년도에 처음 차를 내서 지금도 프리우스의 대부분은 니켈 수소전지를 쓰고 있다.
그런데 우리가 볼 때는 국내에서 삼성하고 LG가 전지사업에 뛰어들면서 사실 리튬이온에 포커싱을 했고, 그런 면에서 아전인수가 될 수 있다고 생각할 수 있을지 모르지만, 실제적으로 우리 히스토리를 보게 되면 니켈 수소전지가 결국 리튬이온전지한테 못 당하는 그러한 우리의 과거를 많이 봐왔다.
그래서 자동차도 그럴 것이 라고 믿었으며 삼성이나 LG는 처음부터 리튬이온전지에 집중했고, 자동차 같은 경우에 이런 아반떼라든가 2009년도에 이미 현대자동차 아반떼에 납품을 했고, 그 다음에 새로운 자동차들이 계속 출시되는 것들이 대부분 다 리튬이온전지이고, 특이한 사항은 니켈수소를 고집하던 도요타가 드디어 리튬이온전이를 탑재한 자동차를 냈다는 것이다.
우리가 제주도에서 이런 실증 프로그램을 하게 됐는데, 아마도 우리가 이 에너지 저장 쪽에는 경쟁사들보다는 조금 늦게 뛰어든 편이다. LG화학은 자동차 쪽에 포커싱하고 있었는데, 자동차 기술 접목이 바로 가능했다. 그래서 제주 실증사업을 뒤늦게 참여했지만 상당히 잘 진행되고 있는 것 같고, 제주 실증에서는 스마트 홈, 당연히 펜션 등에서 이런 에너지를 효율적으로 쓰는 것을 하고 있고, 그 다음에 전기차 충전할 때 잘 아시겠지만 서서히 충전하면 그리드에 큰 문제가 없지만, 어느 순간 갑자기 전기차 1만 대가 급속충전을 동시에 한다 면 날을 새지 않을까요? 그러면 그리드에 혼란이 오게 될 것이다.
우리도 많은 글로벌 회사들을 만나고 있지만 ‘이 에너지 저장 시스템으로 해서 리튬이온전지를 어떻게 활용해야지 그리드 UPS에서 가장 경제적이고 효율적으로 사용할 것인가?’ 이것은 아직까지는 정답이 나오지 않고 있다. 그것은 무슨 말인가 하면, 배터리 회사와 에너지 저장 시스템을 쓰고자 하는 회사들 간의 서로간 커뮤니케이션을 통해서 가장 효율적인 시스템을 공동으로 발전시켜야 될 것으로 보고 있다.
여기서 또 하나 우리가 앞으로 두고 봐야 될 메시지는 뭐냐 하면, 전력저장시스템이라는 것이 여러 가지 단계별 용도가 있는데, 아마도 멀티 퍼포즈로 가지 않을까, 이렇게 보고 있다. 어떤 에너지 저장 시스템으로 전력저장용으로 쓰던 것들이 필요에 따라서는 갑자기 UPS로, 그러니까 포터볼텍 태양에너지 같은 것을 저항해서 쓰던 것을 급할 때는 UPS를 쓴다든가 이런 멀티 퍼포즈로 쓰는 것들에 대한 아이디어들이 많이 나오고 있기 때문에 그럴 경우 경제성이 더욱 좋아진다고 볼 수 있겠다. UPS 같은 경우도 표준모듈을 만들어 봤고, 서브모듈 안에 셀이 9개가 들어와 있고, 9개 모듈을 4개로 또 직렬로 연결하면 표준모듈이 되는데 이러한 표준모듈을 만듦으로서 여러 다양한 커스토머들이 원하는 UPS의 사이즈라든가 이런 것을 레고 블록처럼 쉽게 대응할 수 있는 그런 사례가 되고 있다.
그러면 리튬이온전지가 앞으로 어떻게 발전해야 할 것인가? 지금까지 살펴본 것은 현 수준에서도 제법 쓸 만한 것으로 보였고, 2020년 목표는 ㎾h당 300불 정도 수준까지도 갈 것으로 보고 있는데, 그러기 위해서는 재료 면에서도 상당한 노력이 있어야 될 것이다. 코스트를 낮추기 위해서는 생산성도 높여야 되고, 또한 저가재료도 많이 활용해야 하지만, 에너지 저장 시스템 같은 경우는 때로는 20년을 보장해야 하는 그런 요구가 있다. 그래서 그런 것들을 달성하기 위해서는 새로운 재료들이 계속 있어야 된다.
그 다음에 가장 관심사 중 하나가 코스트인데, 지금 현재 사용되고 있는 자동차의 수준이라는 것이 2012년 이 정도이다. 이것은 셀 레벨인데 셀 레벨이라는 것은 실제로 자동차에 쓰이려면 셀과 배터리 매니지먼트 시스템과 또 쿨링 시스템을 포함한 서멀 매니지먼트 시스템을 포함한 팩이 있는데, 지금은 셀이 전체 비중으로 따졌을 때 한 50%, 나머지 팩 BMS 이것이 50%이나 미래로 가면 조만간 셀이 80%, 나머지가 20% 정도 될 것이다. 시스템으로 보게 되면 플러스알파 해야 되지만, 셀 레벨로 보면 이미 300불 근처까지는 상당히 와 있는 것으로 보시면 되겠다. 앞으로도 이노베이션 통해서 점점 코스트가 내려가게 되겠고, 앞에 살펴본 300불 정도는 시스템 레벨로 보면 될 것이다. 그래서 2020년 정도에는 300불 정도의 가격이면 셀과 배터리 매니지먼트 시스템과 쿨링 시스템을 포함한 그런 시스템이 가능할 것으로 보고 있다.
정리해 보면, 리튬이온전지라는 것이 91년도에 처음 소니가 상품화한 이후 거의 20년이 흘렀고, 그 사이에 많은 우여곡절이 있었다. 리콜도 하고 그랬지요? 노트북에서 불이 났다든가 그래서 그런 과정을 겪으면서 리튬이온이 살아남았던 것은 아직도 계속 기술이 발전되면서 용량은 높아지고 코스트가 낮아지는, 그러면서 세이프티는 좋아지는 쪽으로 지금도 계속 발전하고 있고, 그래서 지금 아이티에서는 단연 100% 사용한다고 보면 되겠고, 자동차 쪽으로는 니켈 수소전지에서 리튬이온 쪽으로 이동하는 것이 확연하게 드러나고 있다.
그렇게 되면 이러한 자동차 쪽에 사용되던 기술들을 우리가 에너지 스토리지 쪽에 접목할 수 있게 되겠고, 그렇게 함으로써 상당히 신뢰성과 안전성을 확보할 수 있겠다. 여기서 끝나는 것이 아니라 신규소재 발굴, 지속적인 것은 전지성능 향상은 계속될 것 같다. 앞으로 2020년이 끝이 아니라, 그 이후에도 새로운 것이 계속 나올 것으로 보기 때문에 발전 가능성은 무궁무진하고, 또 자동차에서도 마찬가지이지만 HEV에서는 굉장히 고출력, EV에서는 고출력보다는 고에너지 것들이 요구가 있는데, 이런 것들을 다양하게 리튬이온의 특성을 조정해 가면서 맞춰 나갈 것이다. 그래서 에너지 스토리지에서도 소용량이든 대용량이든 출력이 높든 낮든 다양하게 대응할 수 있겠다.
그 다음에 가장 중요한 가격 경쟁력, 리튬이온전지를 하는 회사 입장에서는 ‘납축전지에 가보자’ 이런 것이다. 물론 납축전지라는 것이 단순하게 가격만 따지면 안 되고, 여기 나온 것처럼 total cost of ownership, 즉 10년을 사용할 때 전체 드는 비용을 따져봤을 때 ‘납축전지를 한번 이겨보자’ 이렇게 됐는데, 실제로 그것은 가능하다고 보고 있다. 이 xEV 시장이 지금 다소, HEV는 제법 가고 있지만, EV나 PHEV와 여러 가지 글로벌경제 이런 것들 때문에 약간 위축돼 있지만 증가하는 트렌드는 전혀 달라지지 않고 있다.
단지 시간만 조금 차이날 뿐이지 그렇게 간다고 보고 있고, 그래서 xEV 시장이 성장하는 것과 전력시장 쪽은 사실상 데몬스트레이션 프로그램이 굉장히 많다. 실제적으로 commercialize 완벽하게 된 것이 아니라, 이 ESS를 사용하는 측에서도 어떻게 써야 하는지 좀 더 고민을 해야 하기 때문에 실증 프로그램들이 상당히 많고, 아마 제대로 된 시장은 EV시장이 2015년 이후에 올 것이라고 보고, 아직까지 EV시장은 서로 탐색단계로 2015년 이후에 상당히 커질 것으로 보고 있다. 아마도 5년 정도는 전력저장시장이 조금 뒤따라오지 않을까? 물론 그것은 상황에 따라 달라지겠지만 러프하게 얘기하면 5년 정도의 간격을 갖고 쫓아오는 것이 아닌가 한다.
그러나 많은 분들이 오히려 자동차보다 에너지 저장 쪽의 시장이 훨씬 커질 것으로 보고 있다. 아마도 그것이 사실이지 않을까, 이렇게 생각하고 있습니다. 정래=여영래 기자 eewn@chol.com