이차전지

글 : 박철완 책임연구원 / 전자부품연구원 차세대전지 연구센터www.keti.re.kr1993년경 소니 에너지텍에 의해 세계 최초로 리튬이온 이차전지가 상용화된 이래, 리튬이온 이차전지 기술은 눈부신 발전을 가져왔습니다. 리튬이온 이차전지가 전지 산업에서 차지하는 위상을 그림으로 나타내면 다음과 같습니다(그림 1 참조. 전지 분류 계통도).특히, 리튬이온 이차전지는 모바일 IT와 미래형 자동차 분야의 용도에 가장 최적의 특성을 갖고 있습니다. 리튬이온 이차전지가 이 두 분야에서 적합한 까닭은 특정 SOC(State of Charge: 충전심도 혹은 충전상태)의 범위에서 간헐적이고도 반복적인 충전에도 성능 감소없이 사용할 수 있기 때문입니다. 반면 NiCd 이차전지가 메모리 효과로 인해 위와 같은 충방전 모드에서 성능이 급히 떨어진다는 단점을 감안한다면, 리튬이온 이차전지는 21세기형 전지로 적합하다고 볼 수 있습니다.20세기 후반과 21세기 전반으로 접어들면서, 리튬이온 이차전지가 다양한 용도로 응용 가능성이 제시되면서 리튬이온 이차전지는 다음과 같은 성능에 대한 중요성이 부각되기 시작했습니다. 안전성에 대한 고려는 리튬이온 이차전지라면 반드시 준수되어야 할 사항이기에 별도로 하였습니다.1. 초고용량2. 고출력3. 초소형위와 같은 3가지의 측면으로 전지 성능의 분화가 일어나고 있다고 볼 수 있습니다. 먼저, 초고용량 이라는 측면에서 기존의 리튬이온 이차전지에 비해 용량적인 측면의 획기적인 개선이 이루어지도록 구현한 리튬이온 이차전지 기술을 이야기합니다. 초고용량이 구현되기 위해서는 근원적으로 양극과 음극의 활물질이 개선되어야 가능한 기술입니다. 초고용량의 의미는 전지 용량이 크다는 것과 에너지 밀도가 크다는 의미를 다 가지고 있습니다. 그런 측면에서 양극과 음극 활물질은 용량(mAh/g 혹은 mAh/cc로 표현되는 값)이 크거나, 양극과 음극의 짝을 구성했을 때 가용한 전압대가 넓거나 높아서 에너지가 높아지는 방향으로 구현되어야 합니다. 물론 초고용량 제품을 구현할 때, 전지의 안전성 등을 확보하기 위해서는 활물질 이외의 기타 전지 구성 소재 및 부품을 이에 적합하도록 변경해야 합니다.고출력은 미래형 자동차 중에서 전기자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 카(Hybrid Car)와 연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle)에 사용될 수 있는 전지가 가져야 할 성능을 지칭합니다. 고출력 전지를 구현하기 위해서는 단순히 용량뿐 아니라, 소형 이차전지 이상의 안전성이 확보될 수 있는 소재가 사용되어야 하며, 고출력 사용 환경(충전 및 방전)에서 성능의 열화가 없고 일정 수준 이상의 신뢰성이 확보될 수 있는 소재가 사용되어야 합니다. 그리고 이러한 성능적인 측면에서의 보장을 위하여, 첨가제 사용이라는 방식의 성능 구현도 가능합니다(초고용량을 달성하기 위해 첨가제로는 용량 향상을 달성할 수 없습니다). 그리고 소재뿐 아니라, 전지 구성 부품, 그리고 전지 자체의 디자인 등을 통하여 구현될 수 있는 기술입니다.초소형이라는 측면의 접근은 다양성이라는 측면에서 바라볼 수 있습니다. 이런 측면에서 초고용량 및 고출력은 전지 성능의 고도화가 달성된 것이라 이야기가 가능합니다. 현재 초소형 리튬 이차전지라고 불리는 것은 대개 용도에 따라 소형화가 이루어진 것이 대부분입니다. 블루투스 이어셋에 채용된 초소형 리튬이온 혹은 리튬이온폴리머 이차전지가 대표적인 예라고 할 수 있으며, 이와는 조금 다른 방향으로 시도되고 있는 것이 박막형 리튬이온 이차전지와 함께 내열성을 가진 코인형 초소형 리튬 이차전지가 있습니다. 이런 전지 중 코인형 초고형 리튬 이차전지는 전지 구성과 개념 측면에서 기존의 전지와 구성을 달리한 제품으로, GSM 휴대폰의 RTC 백업 전지로서 채용되어 있습니다.위와 같은 차세대 전지 산업 중에서 이차전지 산업은 그림 3과 같이 분류되고 있습니다. 이 그림에서 제시하고 있는 분류는 산업자원부에서 산업기술분류체계를 제정한 것을 따르고 있습니다. 그림 3의 산업기술분류체계를 구성하고 있는 핵심 전지 기술들이 전지 성능을 개선시키는 데 있어 핵심이 되는 것입니다. 이것 하나하나가 고도화, 다양화를 달성하기 위하여 중요한 것이라 할 수 있습니다.이와 같은 3대 전지 기술 발전은 차세대 이차전지 산업 시장에 있어서 거의 대부분을 차지하는 것이라 볼 수 있습니다. 해마다 리튬이온 이차전지 산업은 다양성을 가지고 고도화되고 있습니다만, 그럼에도 불구하고 큰 변화를 가지지 않고 있다는 것도 특징이라 할 수 있습니다. 소형 이차전지 분야에 있어서 리튬이온 이차전지는 휴대전화와 노트북, 디지털 카메라에 사용되는 것이 주요 사용처라고 할 수 있고 이 중에서 휴대전화, 노트북이 차지하는 비중이 절대적입니다. 그러나 차세대 기술인 초고용량화, 고출력화, 초소형화에서 지향하는 시장은 또다시 분화가 일어날 것입니다. 초고용량화 제품은 휴대전화 및 노트북 중심의 응용 및 활용을 타깃으로 하고 있고 고출력화는 중대형 리튬이온 이차전지를 기반으로 하여 전기자동차, 하이브리드 카 그리고 연료전지 자동차 쪽을 목표로 하고 있습니다. 초소형화는 제품의 스펙과 모양이 초소형화 방향으로 가는 제품인데, 리튬이온 이차전지보다는 리튬이온폴리머 이차전지가 초소형화에 적합합니다. 이외에 GSM 폰의 RTC 백업용 초소형 전지로 사용되는 것은 260oC, 1~10분 정도의 리플로우 용접 조건을 견딜 수 있는 내열성의 코인형 제품이 있습니다.위와 같은 내용이 반영되어 전체적으로 차세대 이차전지의 산업기술로드맵은 그림 3과 같은 형태로 구성되어 있습니다.이처럼 기술 트리에 제시된 대로 체계적인 연구개발이 진행되었을 때, SWOT 분석을 통한좀 더 현실적인 상황에 대한 접근이 시도되었으며, SWOT 분석의 결과는 표 1에 제시하였습니다. 그리고 전반적인 차세대 이차전지의 발전 전망에 대한 개념은 표 2에 제시하였습니다. 향후, 차세대 이차전지 산업의 발전이 어떻게 발전할 지는 이 분야에 종사하는 전문가들과 산업체 관계자들의 노력에 의해 얼마든지 변화가 있을 수 있을 것으로 보입니다. 이상으로 차세대 이차전지 산업에 대한 로드맵과 전망에 대한 글을 마치도록 하겠습니다.
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