전기자동차용 차세대 2차전지 산업의 기술 동향

배경 및 필요성최근에 내연기관과 2차전지가 결합된 하이브리드 전기자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)가 일본에서 상용화됨에 따라 전 세계적으로 전기자동차에 대한 관심이 집중되고 있다. 특히 화석에너지의 고갈이 인류의 당면한 문제로 대두 되고 있으며 사상 초유의 지속적인 고유가 시대를 맞고 있는이 때에 석유에너지의 효율적 사용과 대기오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 하이브리드 전기자동차의 상용화는 자동차 산업과 2차전지 산업의 일대 전환기를 가져올 것으로 기대되고 있다.1990년대 제너럴 모터스(GM)를 비롯한 여러 자동차 회사들이 전기자동차 개발에 심혈을 기울였지만 핵심 부품인 2차전지의 성능이 만족할만한 수준을 도달하지 못하여 결국 상용화에는 이르지 못하였고 현재는 기술 개발이 다소 주춤한 상태에 있다. 이러한 추세 속에서 일본은 전기자동차의 개발과 함께 내연기관과 2차전지를 동시에 사용하는 하이브리드 전기자동차에 대한 기술 개발에 심혈을 기울여 마침내 상용화를 이룩하였으며, 향후 자동차 시장의 판도를 바꿀 태세에 있다. 1990년대의 전기자동차 개발은 주로 2차전지에 집중되었는데, 특히 미국 오보닉(Ovonic) 사를 중심으로 한 니켈-수소(Ni-MH)전지 개발에 심혈을 기울였으나 결국은 실패하였으며, 그 이후로 소강상태에 있다가 근래에 하이브리드 전기자동차가 상용화되고 고유가 시대를 맞이함에 따라 신형전지인 리튬 2차전지를 중심으로 다시 한번 관심을 끌게 되었다. 하이브리드 전기자동차의 보급은 2012년 300만 대를 초과할 것으로 예상되며, 이에 따라서 HEV 용도만의 2차전지 시장도 37억 달러까지 상승할 것으로 전망된다.전기자동차가 상용화되어 기존 자동차와의 경쟁에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 우선 정책적인 측면보다는 소비자의 관점에서 기술 개발이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 1990년대의기술 개발은 소비자 관점보다는 정책적인 측면이 강하여 무리하게 추진된 면이 많았고 결국은 실패할 수밖에 없었다고 할 수 있겠다. 우선 소비자의 측면에서 고려해 보면 경제성, 안전성, 쾌적함, 차별성 등이 기본적으로 확보되어야 하고, 여기에 더하여 소비자 자신이 환경오염 방지와 석유에너지 절약에 동참한다는 문제의식과 자긍심을 고취시킬 수 있어야 한다고 사료된다.우리나라의 경우는 미국 자동차 회사의 영향을 많이 받아서 2차전지를 주 동력원으로 하는 전기자동차 보다는 연료전지자동차에 대한 기술 개발비가 상대적으로 많이 투자되고 있는 현실이다. 미국의 경우는 2차전지 분야에서 일본에 뒤쳐져 있어 자국 산업의 보호 및 미래 자동차산업 분야에서의 비교 우위를 점하기 위해 연료전지자동차 개발에 심혈을 기울인다고 하지만 우리나라의 경우는 2차전지 분야의 기술력도 우수하고 현재 국내의 여건이나 향후 전망으로 볼 때도 전기자동차의 개발에 집중하는 것이 더 바람직하다고 사료된다. 연료전지자동차인 경우는 아직도 경제성, 안전성, 수소의 제조/저장/수송 등 해결해야 할 난제가 너무 많이 산적해 있어 현재의 예측으로는 10년 내에 상용화가 이루어지기는 어려울 것으로 전망된다.이 글에서는 현재 개발되고 있는 전기자동차용 2차전지의 기술 개발 동향과 향후 나아갈 방향에 대하여 살펴보고자 한다.기술 개발 동향1990년대 초에 미국, 일본을 중심으로 전 세계적으로 전기자동차에 대한 기술 개발이 큰 이슈가 되었다. 특히 초창기에는 니켈-수소전지 개발이 주를 이루었고 그 뒤를 이어 꿈의 전지라 일컬어지는 소형 리튬이온전지가 상용화됨으로써 근래에는 리튬 2차전지를 전기자동차용 전지로 적용하기 위한 개발연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 또한 기존의 2차전지로만으로는 한계를 드러내고 있어 고출력부분의 부하를 담당해서 2차전지의 수명을 늘리고 전기자동차의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 초고용량 커패시터와 2차전지와 연료전지의 중간 개념에 해당하는 아연-공기전지에 대한 기술 개발이 진행되고 있다. 이들 각각 전지의 기술 개발 동향과 향후 나아갈 방향을 살펴보면 다음과 같다.니켈-수소전지1980년대부터 니켈-수소전지는 에너지밀도가 60~80Wh/kg에 이르고 친환경적이라는 장점 때문에 기존의 상용전지인 납축전지와 니카드전지의 한계를 뛰어넘는 새로운 전지시스템으로 각광을 받았었다. 특히 1990년대 불기 시작한 전기자동차 붐에 편승하여 제일 많은 각광을 받은 전지시스템이었다. 니켈-수소전지는 사용하는 음극소재인 수소저장합금의 종류에 따라 AB2계와 AB5계로 나누어진다. AB2계 수소저장합금은 미국 오보닉 사에서 개발한 것으로 용량이 높은 장점 때문에 미국과 우리나라를 중심으로 집중적인 기술 개발이 이루어졌었다. 그러나 사이클 수명, 자기방전, 고온안정성 등에서의 여러 문제점을 나타내어 결국에는 상용화에 실패하였다.이에 반하여 일본에서는 용량은 비록 작지만 사이클 수명, 자기방전, 고온안정성 면에서 비교 우위에 있는 AB5계 수소저장합금을 음극소재로 한 니켈-수소전지 개발에 집중하여 소형 니켈-수소전지를 상용화했다. 대형전지인 전기자동차용 전지인 경우도 거의 상용화 수준에 이르렀으나, 전기자동차가 가시적인 수준으로 상용화되지 못하여 빛을 발하지 못했다. 그러나 일본에서는 꾸준히 전기자동차대신 하이브리드 전기자동차에 대한 기술 개발을 수행해 AB5계 니켈-수소전지를 탑재한 하이브리드 전기자동차를 개발하는 쾌거를 이룩하였다. 이에 반하여 미국과 우리나라의 경우는 집중적인 투자가 이루어졌던 AB2계 니켈-수소전지 개발이 실패하면서 전기자동차에 대한 기술 개발 열정이 전반적으로 시들어졌다. 그 여파로 인해 우리나라의 경우는 니켈-수소전지 개발연구가 거의 사라지게 되었고, 새롭게 떠오르는 리튬 2차전지에 대한 기술 개발이 주를 이루게 되었다.일본에서 성공한 하이브리드 전기자동차용 니켈-수소전지의 기술 개발 경로를 보면 처음에는 소결식 전극을 사용한 원통형 전지이었는데, 이 전지인 경우는 에너지밀도가 낮고 단전지 간의 단자 연결에서 문제점을 나타내었다. 그 후로 지속적인 기술 개발을 통하여 수소저장합금의 특성 개선과 함께 전극을 페이스트식으로 제조하고 전지 형태도 슬림형의 각형 전지로 바꾸었으며 단전지 간의 단자 연결도 레이저 용접으로 일체화해 에너지밀도를 높이고 내부저항을 최소화해 고출력, 장수명화를 이룩함으로써 하이브리드 전기자동차용 니켈-수소전지를 개발하는 쾌거를 이룩했다.우리나라의 경우도 근래에 몇몇 기업이 하이브리드 전기자동차용 AB5계 니켈-수소전지 기술 개발을 다시 시작한 상태지만, 정부 차원의 지원이 부족한 상태라 매우 어려움을 겪고 있다. 향후 하이브리드 전기자동차의 주동력원으로 니켈-수소전지가 자리를 굳힐 것으로 예상되는바 선두 주자인 일본을 따라 잡기 위해서는 국내의 기술 개발자들이 최선의 노력을 기울여야 할 것으로 사료된다.리튬 2차전지1991년 일본의 소니(sony)에 의해 리튬 2차전지가 처음 상용화된 이래, 지금까지는 전 세계적으로 주로 휴대전화, 노트북PC 등 주로 소형전지를 중심으로 시장이 형성돼 있다. 국내의 경우도 삼성 SDI와 LG화학을 중심으로 소형전지 양산에 주력해 현재 세계 2위의 수준으로 성장했으며, 향후 5~10년 내에 세계 1위를 목표로 기술 개발 및 양산화에 박차를 가하고 있다. 소형 리튬 2차전지와는 달리 현재의 시장은 형성되어 있지 않지만 향후 시장이 대폭적으로 성장될 것으로 전망되는 대형 리튬 2차전지인 경우는 하이브리드 전기자동차용으로의 적용을 위한 기술 개발 및 상용화 연구가 국내외에서 매우 활발하게 이루어지고 있다. 현재 리튬 2차전지 분야에서 세계 1위인 일본의 경우는 국가적으로 1993년부터 ‘New Sunshine Program’을 시작하여 대대적인 기술 개발을 진행하고 있다.휴대전화용 및 노트북 PC용 리튬이온전지의 주요 생산업체인 일본의 리튬이온전지 회사를 중심으로 HEV용 리튬 2차전지개발이 진행되고 있으며, 신고베 전기는 2000년 닛산에서 시험 생산된 티노라는 HEV 자동차에 리튬이온전지를 최초로 장착한 바 있고, NEC는 2001년 자동차 회사인 스바루(Subaru)와 공동으로 NEC 라미리온이라는 회사를 설립하여 HEV용 리튬이온전지 개발을 추진 중이며, 이외에 세계 최고의 휴대전화 등 모바일용 전지 메이커인 산요, 마쓰시다, 도시바 등도 기술 개발을 진행하고 있다.특히 최근에는 전지 제조업체는 물론 자동차업체인 Toyota, Nissan 등도 HEV용 2차전지 개발에 합류하여 기술 개발을 가속화하고 있다. 우리나라의 경우 삼성SDI는 시장의 흐름에 맞춰 G7 프로젝트로 추진된 EV용 리튬폴리머전지 개발을 시작으로 1999년부터 HEV용으로 개발목표를 변경하여 2년간 연구를 추진한 바 있으며, LG화학도 자체적으로 HEV용 리튬폴리머전지 연구를 진행하여 2002년에는 그 결과를 Power 2002에 발표하는 등 가시적인 연구 성과를 이룩하였다. 또한 최근에 LG화학은 미국 USABC와 공동으로 중대형전지 개발을 진행하고 있으며 미국 시장 진출의 교두보 확보와 함께 리튬 2차전지를 탑재한 HEV의 상용화에 박차를 가하고 있어 향후 전망은 밝다고 할 수 있겠다. 미국 및 유럽의 경우는 기술 개발 인프라는 높으나 양산업체가 없는 실정이며, 특히 미국의 경우는 DOE 주도로 다양한 기술 개발 지원을 하고 있는데 대표적으로 1991년부터 FCVT 프로그램을 진행하여 전기자동차와 모바일 IT 기기용 2차전지 기술 개발을 지원하고 있다.유럽의 경우는 리튬 2차전지 개발을 위하여 1991년부터 17개국이 참여한 국가연합의 JOULE Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ Program이 진행되고 있다. HEV용 전지 기술 개발에 비하여 전기자동차용 전지로의 기술 개발은 일부 이루어지고 있으나, HEV용 전지 개발도 완성되지 못한 현재의 상황에서 이에 대한 집중적인 기술 개발에 투자하기는 다소 어려운 실정이라 하겠다. 리튬 2차전지가 대형전지로 상용화되기 위해서는 무엇보다도 안전성 및 경제성 측면에서 충분한 검증이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 간헐적으로 발생하는 노트북PC에 장착한 리튬 2차전지의 폭발 및 화재는 노트북PC보다 훨씬 대용량인 HEV용 전지로의 개발에 있어서 반드시 넘어야 할 산이라 할 수 있다. 리튬 2차전지의 안전성을 확보하기 위해서는 열적 안전성이 우수하고 난연성인 전지 소재의 개발, 전지 및 전지팩의 안전성 확보 등 여러 가지 해결책이 필요한 것으로 사료된다. 또한 현재 상용화 돼있는 니켈-수소전지와 비교할 때 가격 경쟁력이 확보돼야 하는 문제점을 안고 있다.이를 위해 성능은 저하됨이 없이 저가인 전지소재를 개발하는 것이 반드시 필요하다고 하겠다. 이와는 별도로 한편에서는 기존의 전지소재가 아니 새로운 전지소재를 사용하는 신형 리튬 2차전지 개발에 임하여야 할 것으로 사료된다. 다행히 우리나라의 경우는 차세대 성장동력산업의 하나로 차세대전지 사업단이 출범해 리튬 2차전지를 중심으로 집중적인 기술 개발이 체계적으로 진행되고 있어, 향후 국가 경제발전과 고용창출효과에 기여할 것으로 예상되며, 궁극적으로는 우리나라의 2차전지 산업이 세계 1위의 위치에 서리라고 생각된다.초고용량 커패시터최근에 많은 관심을 끌고 있는 초고용량 커패시터(Super- capacitor or Ultracapacitor)는 전기화학반응의 원리로 작동하는 2차전지와는 달리 물리반응을 이용하여 충전과 방전을 연속적으로 반복할 수 있는 물리전지로 초고출력, 반영구적인 수명특성을 지니고 있다. 초고용량 커패시터는 전기자동차용 동력원 등 중대형 제품의 경우 2차전지나 연료전지와 함께 병용하여 사용되면시너지 효과를 낼 수 있는 시스템으로 현재의 시장은 미약하지만 미래 시장은 밝을 것으로 전망되고 있으며, 이로 인해 국내외적으로도 많은 기술 개발이 이루어지고 있다.현재 상용화된 초고용량 커패시터제품은 80% 이상이 활성탄소전극을 사용하는 EDLC로서 일본이 소재 및 제품기술에서 가장 앞서 있으며, 고용량화를 위한 슈도 커패시터(pseudo capacitor) 및 하이브리드 커패시터(hybrid capacitor)의 연구개발은 미국과 유럽을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 국내의 소형 메모리 백업용 생산기술은 생산규모와 제조기술면에서 일본에 뒤떨어지는 상황이며, 국내의 소재(활성탄소전극재료, 전해질, 분리막 등) 기술도 연구소 및 대학에서 실험실 규모의 연구 개발경험은 있지만, 이의 원천특허 또는 생산기술은 거의 전무한 실정으로 전량 수입에 의존하고 있어 경쟁력이 매우 취약한 상태이다.아연-공기전지기존의 아연-공기전지는 주로 일차전지의 개념으로 사용되어 왔으나, 근래 전기자동차로의 활용을 위하여 연료전지와 같은 개념을 도입하여 아연분말을 연료 개념으로 순환하여 전기를 발생하는 시스템이 미국과 이스라엘을 중심으로 다시 검토되고 있다. 특히 전기화학적으로 금속분말로 재환원 하기가 용이한 아연분말을 이용한 아연-공기전지는 에너지밀도가 높고 경제성과 친환경적인 측면에서 우수한 특성을 가지고 있어 연료전지에 대항하는 개념으로 전기자동차용 전지로 검토되고 있다.또한 아직까지는 전기화학적으로 수백 회 이상 재충전해 사용하는 것이 용이하지 않은 아연전극인 경우도 기술 개발 여하에 따라 전기화학적으로 재충전도 가능할 것으로 보이므로 아연분말의 순환 없이 전기화학적으로 재충전할 수 있는 아연-공기 2차전지의 상용화도 가능할 것으로 전망된다. 국내에서는 이에 대한 기술 개발이 다소 미진한 상태이나 상용화 가능성을 전혀 배제할 수 없으므로 이에 대한 보다 많은 기술 개발 투자가 하루빨리 이루어져야 할 것으로 사료된다.맺음말차세대 2차전지 산업은 향후 지속적으로 시장 확대가 이루어질 산업일 뿐만 아니라, 자동차 산업 및 IT 산업의 미래를 짊어질 핵심중추 산업이라 할 수 있다. 그동안 이 분야의 산학연 전문가들이 중추적인 역할을 수행하여 우리나라가 오늘날 리튬 2차전지 분야에서 세계 2위의 위치를 확보하는데 많은 기여를 했고, 우리나라의 IT 산업을 세계적으로 끌어올리는데 크게 이바지 했다고 사료된다. 앞으로는 하이브리드 전기자동차나 전기자동차 산업이 자동차산업의 판도를 바꿀 것으로 예상되는 바 이의 동력원인 차세대 2차전지 개발은 우리나라의 2차전지 산업과 자동차 산업의 사활을 쥐고 있다고 해도 과언이 아니다.최근에 산업자원부 및 과학기술부에서 차세대 전지개발 프로그램을 구성하여 국내의 산학연 전문가가 모두 참여하여 연구개발을 수행할 수 있는 여건을 조성하였는데, 이를 통해 향후 2차전지 산업의 획기적 발전과 세계 1위 목표 달성의 쾌거를 이룩할 것으로 전망되며, 또한 아주 모범이 되는 성공 사례를 보여줄 것으로 기대된다.

회원가입 후 이용바랍니다.

개의 댓글

회원로그인

작성자 비밀번호

댓글 내용입력

댓글 정렬

최신순 추천순 답글순

BEST댓글

BEST 댓글 답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다. 닫기

더보기

김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

기자의 다른기사 보기

저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지