[SPECIAL FEATURE]_‘녹색 시대의 총아, 2차전지’-中 차세대 전지 개발 경쟁 ‘치열’ 미국의 경제학자인 슘페터는 혁신을 정의하기를 “낡은 것을 파괴하고 새로운 것을 창조하는 행위”라고 하였다. 즉, 사용자의 기대 수준을 넘는 혁명적인 결과를 도출하는 것을 의미한다. 전지 산업에서 혁신의 의미는 고객이 직면한 문제를 즉각 해결해 줄 수 있는 전지 성능의 혁신적 개선을 뜻한다. 즉, 차세대 2차전지는 에너지 밀도, 안전성, 원가의 한계 등을 극복한 신개념 전지로서 급진적이며 불연속적인 성능 향상을 통하여 응용 영역을 한층 더 넓혀야 한다. 일본 신에너지산업기술개발기구(NEDO)는 리튬이온전지가 이론적으로 도달 가능한 최대 에너지 밀도를 능가하는 전지를 차세대 전지 또는 혁신 전지라고 정의하였고, 미국 에너지부(DOE)는 현 수준 대비 에너지 밀도를 2배로 올리면서, 원가를 70% 낮추는 전지를 차세대 전지라고 정의한다. 즉, 차세대 전지는 현재 기술의 점진적 개선이 아닌 새로운 기술 혁신으로 도달 가능한 전지이다. 성능 혁신에 한계가 있는 기존 솔루션과는 분명히 구분되는 개념이다. 단기적 성과를 보기가 쉽지 않고, 막대한 연구 개발 투자가 필요한데도 차세대 2차전지의 연구 개발에 글로벌 기업들이 적극적으로 참여하고 있다. 에너지 산업 환경의 변화로 차세대 전지에 대한 고객들의 기대가 절실해지고 있기 때문이라는게 신 연구원의 설명이다. 과거에는 차세대 전지 개발이 학계에 의해 주도되는 경우가 대부분이었다. 수십 년간 연구에 매달린 연구진들에 의해 이론적으로는 매우 혁신적인 솔루션들이 시장에 소개되곤 했지만, 시장 흐름 및 사업성과 동떨어진 솔루션이기에 상용화에 대해서는 회의적 시각이 팽배했었다. 하지만, 시장이 압박하고 있는 최근 상황은 ‘혁신하면 좋지만 안 돼도 할 수 없는’이 아닌 ‘반드시 혁신적 성능을 발휘해야만’하는 새로운 전지를 요구하는 목소리가 높아지고 있다는 것.대량생산이 가능할 정도의 제품화가 이루어진다면 막대한 성과 창출이 예견될 만큼 차세대 전지의 사업성이 매우 매력적이다. 일본 Yano research에 의하면 2013년 차세대 전지 시장 규모는 6조 원에 달한다. 장기적인 성장 잠재력은 더 높다. 차세대 전지의 제품 완성도가 올라가면서 2020년 무려 100조 원에 달하는 2차전지 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 기득권을 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 달러를 투자함과 동시에 일본의 소재 전문 기업 우베와 합작사를 설립하여 차세대 전지의 전해질 사업에도 진출할 예정이다. IBM도 전기자동차의 무한한 성장성을 선점하기 위해 리튬공기전지를 전략적으로 개발하고 있다. 이처럼 차세대 전지의 사업 매력도가 올라가면서 연구 개발을 주도하는 주체가 학계에서 기업으로 바뀌고 있다. 또한, 기업들의 적극적 투자로 차세대 전지의 개발 사이클이 단축되는 변화가 예상되기 때문에 거대 기업들의 참여 열풍은 당분간 지속될 것으로 예상된다. 차세대 전지에 ‘주목’하는 이유 차세대 전지에 대한 관심이 집중되면서 새로운 전지가 등장함은 물론 과거에 소개되었던 개념까지 재조명받고 있다. 공기를 활물질로 활용하는 전지로서 현 수준 대비 10배 이상의 성능 향상이 가능한 금속공기전지, 전지 내부 물질을 고체로 하여 안전성을 혁신시킨 전고체 전지, 풍부한 자원인 마그네슘이나 황을 활용하여 혁신적으로 원가를 낮춘 마그네슘 전지, 리튬 황 전지 등이다. 물론, 바이러스 유전자를 활용하여 용량을 키우거나 마찰이 없는 초전도체를 활용하여 사용 수명을 연장하는 등 수많은 전지 솔루션이 다양한 매체를 통해 소개되고 있지만, 본고에서는 시장에 등장할 가능성이 상대적으로 높고, 탁월한 성능 혁신 가능성으로 말미암아 기업들의 관심을 받고 있다.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 에너지 밀도가 기존 리튬이온전지 대비 10~15배까지 높은 특징을 가지고 있다. 물론 리튬 등 금속 전극이 외부 공기 중 산소와 반응하기 위해서는 특수한 탄소층 및 촉매가 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 10대 유망 기술’ 중 하나로 선정될 만큼 금속공기전지는 화학전지로서 2차전지의 궁극적인 목표로 불리기도 한다. 일본의 산업기술종합연구소가 2009년에 발표하기를 기존 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 내에 현재의 전지보다 10배 이상 에너지밀도를 향상한 전지의 시제품을 개발하고, 2020년에는 제품의 상용화를 목표로 아르곤연구소 등 다수의 미국 국립 연구소들과 긴밀하게 협력하고 있다. BASF는 아연금속을 활용한 아연공기전지를 스위스에 있는 리볼트와 함께 연구 중이다. BASF와 리볼트의 공동 개발 협약에 의하면 BASF는 재료 과학 및 전기 화학 분야에 집중하여 아연공기전지의 상용화에 필요한 핵심 소재 및 부품들의 개발과 대규모 생산에 필요한 설비 투자를 담당할 것이다. 다양한 차세대 전지 개발에 참여 중인 도요타도 새로운 전해질 및 저비용 촉매 개발에 집중하여 앞으로 10년 이내 전기자동차에 적용 가능한 리튬공기전지를 연구 중인 것으로 알려져 있다. 이처럼 금속공기전지의 상용화에 전지 산업에 속해 있던 기업이 아닌 거대 기업들이 앞다투어 많은 자원을 투자하고 있고, 이러한 현상은 당분간 지속될 전망이다. 금속공기전지의 상용화가 그리 멀지 않은 느낌이다. 2차전지, 전기자동차의 핵심창업 단계부터 전기자동차의 핵심은 2차전지에 있다고 판단한 도요타는 가장 많은 차세대 전지 솔루션을 직접 보유하고 있는 기업이다. 도요타의 창업주인 도요타 사키치 회장은 이미 1925년에 석유 에너지의 한계를 직감하고 당시로서는 막대한 금액인 100만 엔의 상금을 걸고 혁신적 전지의 개발을 독려하였다. 100만 엔은 당시 도요타 방직 회사의 총 자본금과 유사한 규모의 막대한 금액이었기 때문에 수많은 과학자가 개발에 뛰어들었고 많은 아이디어가 모였다. 창업주가 요구한 ‘출력 100마력, 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 지난 지금까지도 도달하지 못한 도전적 목표로서 도요타는 전고체 전지, 리튬공기전지, 그리고 마그네슘 전지 등을 장기적 관점에서 적극적으로 개발하고 있다. 자동차 기업으로서 전기자동차용 2차전지의 성능 혁신이 절실히 필요한 도요타가 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 사용하는 불안정한 전해질을 완전 고체로 대체하여 높은 출력과 안전성을 향상할 수 있게 하였다. 고체 전해질을 사용함으로써 과도한 충전 및 내부 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 차세대 전지로서 전해액의 누설 걱정이 없고 대용량 구현도 가능한 전고체 전지의 개발에 힘쓰고 있다. 이데미츠는 기존 2차전지에 들어 있는 전해질 용액을 황화 리튬이라는 고체 물질로 대체하였다. 황화 리튬은 원래 석유 정제 과정에서 발생하는 유황을 활용한 기능성 수지의 원료이다. 이데미츠는 우연한 기회에 황화 리튬이 순도가 높고 이온 활동성도 좋다는 사실을 알게 되었고, 이를 2차전지에 응용하는 연구를 2001년부터 오사카 대학과 공동으로 시작하여 2004년에는 세계 최초로 기존의 전해질 용액과 같은 수준의 이온 전도도를 보유한 고체를 개발하게 되었다. 이미 고체 전해질로서 황화 리튬의 제조 기술을 확립한 것으로 알려진 이데미츠는 열에 강하고 고전압 특징을 가진 전고체 전지를 자동차, 산업 기기 등에 폭넓게 사용할 수 있다고 판단하고 2012년 사업화를 목표로 개발 완성도 상승에 심혈을 기울이고 있다. 한편, 아직 본격 개발 단계는 아니지만, 삼성종합기술원도 일본에 소재한 요코하마 연구소와 공동으로 고체 전해질을 연구 중인 것으로 알려져 있다.

[SPECIAL FEATURE]_‘녹색 시대의 총아, 2차전지’-中

차세대 전지 개발 경쟁 ‘치열’

기사입력 2011-09-01 00:01:30

[산업일보]
미국의 경제학자인 슘페터는 혁신을 정의하기를 “낡은 것을 파괴하고 새로운 것을 창조하는 행위”라고 하였다. 즉, 사용자의 기대 수준을 넘는 혁명적인 결과를 도출하는 것을 의미한다.

전지 산업에서 혁신의 의미는 고객이 직면한 문제를 즉각 해결해 줄 수 있는 전지 성능의 혁신적 개선을 뜻한다. 즉, 차세대 2차전지는 에너지 밀도, 안전성, 원가의 한계 등을 극복한 신개념 전지로서 급진적이며 불연속적인 성능 향상을 통하여 응용 영역을 한층 더 넓혀야 한다.

일본 신에너지산업기술개발기구(NEDO)는 리튬이온전지가 이론적으로 도달 가능한 최대 에너지 밀도를 능가하는 전지를 차세대 전지 또는 혁신 전지라고 정의하였고, 미국 에너지부(DOE)는 현 수준 대비 에너지 밀도를 2배로 올리면서, 원가를 70% 낮추는 전지를 차세대 전지라고 정의한다. 즉, 차세대 전지는 현재 기술의 점진적 개선이 아닌 새로운 기술 혁신으로 도달 가능한 전지이다. 성능 혁신에 한계가 있는 기존 솔루션과는 분명히 구분되는 개념이다.
단기적 성과를 보기가 쉽지 않고, 막대한 연구 개발 투자가 필요한데도 차세대 2차전지의 연구 개발에 글로벌 기업들이 적극적으로 참여하고 있다.

에너지 산업 환경의 변화로 차세대 전지에 대한 고객들의 기대가 절실해지고 있기 때문이라는게 신 연구원의 설명이다.
과거에는 차세대 전지 개발이 학계에 의해 주도되는 경우가 대부분이었다. 수십 년간 연구에 매달린 연구진들에 의해 이론적으로는 매우 혁신적인 솔루션들이 시장에 소개되곤 했지만, 시장 흐름 및 사업성과 동떨어진 솔루션이기에 상용화에 대해서는 회의적 시각이 팽배했었다. 하지만, 시장이 압박하고 있는 최근 상황은 ‘혁신하면 좋지만 안 돼도 할 수 없는’이 아닌 ‘반드시 혁신적 성능을 발휘해야만’하는 새로운 전지를 요구하는 목소리가 높아지고 있다는 것.

대량생산이 가능할 정도의 제품화가 이루어진다면 막대한 성과 창출이 예견될 만큼 차세대 전지의 사업성이 매우 매력적이다. 일본 Yano research에 의하면 2013년 차세대 전지 시장 규모는 6조 원에 달한다. 장기적인 성장 잠재력은 더 높다. 차세대 전지의 제품 완성도가 올라가면서 2020년 무려 100조 원에 달하는 2차전지 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 기득권을 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 달러를 투자함과 동시에 일본의 소재 전문 기업 우베와 합작사를 설립하여 차세대 전지의 전해질 사업에도 진출할 예정이다. IBM도 전기자동차의 무한한 성장성을 선점하기 위해 리튬공기전지를 전략적으로 개발하고 있다.

이처럼 차세대 전지의 사업 매력도가 올라가면서 연구 개발을 주도하는 주체가 학계에서 기업으로 바뀌고 있다. 또한, 기업들의 적극적 투자로 차세대 전지의 개발 사이클이 단축되는 변화가 예상되기 때문에 거대 기업들의 참여 열풍은 당분간 지속될 것으로 예상된다.

차세대 전지에 ‘주목’하는 이유
차세대 전지에 대한 관심이 집중되면서 새로운 전지가 등장함은 물론 과거에 소개되었던 개념까지 재조명받고 있다. 공기를 활물질로 활용하는 전지로서 현 수준 대비 10배 이상의 성능 향상이 가능한 금속공기전지, 전지 내부 물질을 고체로 하여 안전성을 혁신시킨 전고체 전지, 풍부한 자원인 마그네슘이나 황을 활용하여 혁신적으로 원가를 낮춘 마그네슘 전지, 리튬 황 전지 등이다.

물론, 바이러스 유전자를 활용하여 용량을 키우거나 마찰이 없는 초전도체를
활용하여 사용 수명을 연장하는 등 수많은 전지 솔루션이 다양한 매체를 통해 소개되고 있지만, 본고에서는 시장에 등장할 가능성이 상대적으로 높고, 탁월한 성능 혁신 가능성으로 말미암아 기업들의 관심을 받고 있다.

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 에너지 밀도가 기존 리튬이온전지 대비 10~15배까지 높은 특징을 가지고 있다. 물론 리튬 등 금속 전극이 외부 공기 중 산소와 반응하기 위해서는 특수한 탄소층 및 촉매가 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 10대 유망 기술’ 중 하나로 선정될 만큼 금속공기전지는 화학전지로서 2차전지의 궁극적인 목표로 불리기도 한다. 일본의 산업기술종합연구소가 2009년에 발표하기를 기존 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 내에 현재의 전지보다 10배 이상 에너지밀도를 향상한 전지의 시제품을 개발하고, 2020년에는 제품의 상용화를 목표로 아르곤연구소 등 다수의 미국 국립 연구소들과 긴밀하게 협력하고 있다.

BASF는 아연금속을 활용한 아연공기전지를 스위스에 있는 리볼트와 함께 연구 중이다. BASF와 리볼트의 공동 개발 협약에 의하면 BASF는 재료 과학 및 전기 화학 분야에 집중하여 아연공기전지의 상용화에 필요한 핵심 소재 및 부품들의 개발과 대규모 생산에 필요한 설비 투자를 담당할 것이다.

다양한 차세대 전지 개발에 참여 중인 도요타도 새로운 전해질 및 저비용 촉매 개발에 집중하여 앞으로 10년 이내 전기자동차에 적용 가능한 리튬공기전지를 연구 중인 것으로 알려져 있다.
이처럼 금속공기전지의 상용화에 전지 산업에 속해 있던 기업이 아닌 거대 기업들이 앞다투어 많은 자원을 투자하고 있고, 이러한 현상은 당분간 지속될 전망이다. 금속공기전지의 상용화가 그리 멀지 않은 느낌이다.

2차전지, 전기자동차의 핵심
창업 단계부터 전기자동차의 핵심은 2차전지에 있다고 판단한 도요타는 가장 많은 차세대 전지 솔루션을 직접 보유하고 있는 기업이다. 도요타의 창업주인 도요타 사키치 회장은 이미 1925년에 석유 에너지의 한계를 직감하고 당시로서는 막대한 금액인 100만 엔의 상금을 걸고 혁신적 전지의 개발을 독려하였다. 100만 엔은 당시 도요타 방직 회사의 총 자본금과 유사한 규모의 막대한 금액이었기 때문에 수많은 과학자가 개발에 뛰어들었고 많은 아이디어가 모였다. 창업주가 요구한 ‘출력 100마력, 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 지난 지금까지도 도달하지 못한 도전적 목표로서 도요타는 전고체 전지, 리튬공기전지, 그리고 마그네슘 전지 등을 장기적 관점에서 적극적으로 개발하고 있다.
자동차 기업으로서 전기자동차용 2차전지의 성능 혁신이 절실히 필요한 도요타가 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 사용하는 불안정한 전해질을 완전 고체로 대체하여 높은 출력과 안전성을 향상할 수 있게 하였다. 고체 전해질을 사용함으로써 과도한 충전 및 내부 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 차세대 전지로서 전해액의 누설 걱정이 없고 대용량 구현도 가능한 전고체 전지의 개발에 힘쓰고 있다. 이데미츠는 기존 2차전지에 들어 있는 전해질 용액을 황화 리튬이라는 고체 물질로 대체하였다. 황화 리튬은 원래 석유 정제 과정에서 발생하는 유황을 활용한 기능성 수지의 원료이다. 이데미츠는 우연한 기회에 황화 리튬이 순도가 높고 이온 활동성도 좋다는 사실을 알게 되었고, 이를 2차전지에 응용하는 연구를 2001년부터 오사카 대학과 공동으로 시작하여 2004년에는 세계 최초로 기존의 전해질 용액과 같은 수준의 이온 전도도를 보유한 고체를 개발하게 되었다.

이미 고체 전해질로서 황화 리튬의 제조 기술을 확립한 것으로 알려진 이데미츠는 열에 강하고 고전압 특징을 가진 전고체 전지를 자동차, 산업 기기 등에 폭넓게 사용할 수 있다고 판단하고 2012년 사업화를 목표로 개발 완성도 상승에 심혈을 기울이고 있다. 한편, 아직 본격 개발 단계는 아니지만, 삼성종합기술원도 일본에 소재한 요코하마 연구소와 공동으로 고체 전해질을 연구 중인 것으로 알려져 있다.