※ KB금융지주 경영연구소가 발간한 『차세대 배터리 개발 방향과 전망』 보고서의 일부다. 보고서에는 더 유익한 정보가 많이 담겨 있으니 보고서 전체를 볼 것을 권장한다. 보고서 링크는 맨 아래에 공유.
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| (사진 출처: Youtube @TheEngineersPost 채널) |
◼ 현재 진행 중인 차세대 배터리 개발 방향
⭘ 차세대 배터리는 ‘원가 절감’, ‘에너지 밀도 향상’, ‘안정성 향상’의 세 가지 방향에서 연구개발
- 현재 주력인 리튬이온 배터리의 가장 큰 과제는 원가 절감과 에너지 밀도(주행거리) 향상. 충전 시간 단축과 화재 및 폭발 위험 경감도 중요 의제
⭘ 현실적으로 ‘원가 절감’과 ‘에너지 밀도 향상’을 동시에 추구하기 어려워 둘 중 하나에 중점을 두고 연구개발이 진행되고 있음
- ‘원가 절감’ 측면의 연구는 주로 리튬, 코발트, 니켈 등 고가의 희귀금속 비중을 낮추거나 더 저렴한 소재로 대체하는 방향으로 추진. 다만, 이 경우 에너지 밀도 저하가 불가피
- 특히 핵심 광물인 리튬을 대신해 저렴한 나트륨과 칼슘 등을 시도. 최근 나트륨이온 배터리 전기차의 본격 상용화가 임박했지만 화학적 특성 상 낮은 에너지 밀도가 불가피
- 사실 나트륨이온 배터리 연구는 현재 주력인 리튬이온 배터리와 비슷한 1970년대부터 시작되었지만, 에너지 밀도 문제로 거의 사장됐던 것
- ‘에너지 밀도 향상’ 측면의 연구는 기존 소재 변경이나 배합의 조정, 배터리 구조 변화 등을 통해 배터리의 단위 부피나 질량을 줄이는 방향으로 추진. 다만, 화학적 특성 상 고가의 핵심 광물인 리튬의 역할은 오랜 기간 지속될 전망
- 더 저렴한 소재의 연구도 동시에 추진되고 있지만, 현실적으로는 기존 소재의 활용이 불가피. 에너지 밀도 향상이 지속 과제인 배터리산업에 있어서 화학적 특성 상 리튬은 오랜 기간 대체 불가능한 소재일 것으로 전망되고 있음
⭘ 현재 추진되고 있는 차세대 배터리로는 ‘원가 절감’ 측면에서는 나트륨이온 배터리, ‘에너지 밀도 향상’ 측면에서는 전고체 배터리, 리튬황 배터리, 금속공기 배터리 등이 있음
- 나트륨이온 등 저밀도ㆍ저가 배터리 분야는 중국 업체들이 더 적극적이며, 전고체와 리튬황 등 고밀도 배터리 분야는 한국과 일본 업체들이 더 중점을 두고 연구개발에 매진하는 경향
- 최근 국내 업체들도 중저가 시장용 배터리 개발과 출시 계획을 서두르고 있음
◼ 차세대 배터리는 각각의 장점에 부합한 용도로 시장 세분화되며 동반 성장할 전망
⭘ 전기차와 전기에너지 산업이 성장하고 다양한 전기 모빌리티가 출현하면서, 배터리도 각각의 목적과 용도에 맞는 저가∙중가∙고가 시장으로 점점 세분화되면서 성장할 전망
- 이륜차, 주행거리가 짧은 경차∙소형차, 에너지저장장치(ESS) 등은 저가용 배터리가 상당 부분 사용될 전망이며, 일반 승용차도 중급과 고급으로 나뉘어 배터리가 세분화될 전망
⭘ 에너지 밀도 향상을 지향하는 차세대 배터리 기술은 모빌리티 패러다임 대전환에 매우 중요한 요소이므로 계속 진화할 것. 다만 현재 진행 중인 연구가 상용화되려면 시간이 필요할 전망
- 배터리 에너지 밀도 향상은 ‘모빌리티ㆍ로봇 전동화 패러다임 변화’에 매우 중요한 요소이므로 다양한 연구개발이 시도되며 지속적으로 진화할 전망
- 모빌리티는 화석연료를 사용하는 ‘내연기관ㆍ열에너지ㆍ기계’ 시대에서 탄소중립의 재생에너지를 사용하는 ‘전동화ㆍ배터리ㆍ전자’ 시대로 패러다임 전환 중
- 향후 자동차, 중장비, 항공, 선박, 로봇 등 모빌리티 분야의 전동화와 자율주행화는 계속 확대될 것이며, 이를 위해서는 대용량ㆍ고밀도 배터리가 필수
- 전고체 배터리, 리튬황 배터리, 금속음극 배터리, 금속공기 배터리 등 다양한 차세대 배터리로 진화를 추진. 다만 이들이 본격 상용화되려면 시간이 상당히 더 필요할 전망
⭘ 이와 동시에 저가∙저밀도인 나트륨이온 배터리가 본격 상용화되며, 저가 전기차, 이륜차, 에너지저장장치(ESS)용 배터리 시장으로 확대될 전망
- 가격이 저렴한 중국산 나트륨이온 배터리는 에너지 밀도가 낮아 초저가 자동차, 이륜차, ESS 위주로 사용될 전망이며, 한국과 일본 업체들을 위협할 배터리 시장의 게임체인저 정도는 아닌 것으로 판단됨
◼ 앞서 언급한 차세대 배터리는 아니지만 다양한 방법으로 진화가 계속됨
⭘ 앞서 언급한 차세대 배터리가 아니더라도 현재 주력인 리튬이온 배터리의 양극재 및 음극재 소재 개선과 변형, 구조 변경, 반고체 전해질 등을 활용한 에너지 밀도 향상 노력이 지속됨
⭘ 차세대 배터리가 출시되더라도 현재의 배터리를 점진적으로 대체해 나갈 전망. 이는 안전성 점검, 생산 라인 및 소재 부품 밸류체인 구축, 원가 안정성 확보 등에 시간이 필요하기 때문. 또한 생산 공정 노하우가 많은 현재의 배터리 강자들이 차세대 배터리에서도 두각을 드러낼 가능성이 더 높음
◼ 리튬의 대체 소재 연구와 생산 방식의 혁신 추진
⭘ 저렴한 나트륨, 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 등의 다양한 대체 소재가 연구 중이며, 현재는 나트륨이 가장 상용화에 적합한 상황. 그러나 화학적 특성 상 리튬보다 에너지 밀도나 효율성이 많이 떨어지기 때문에, 일반 전기차용에서는 오랜 기간 리튬 대체재를 찾기 어렵다는 것이 중론
⭘ 따라서 현재는 리튬 생산 방식 혁신을 통한 생산량 증대 연구가 활발히 진행 중이며, 그 중 스타트업들과 리튬 광산업체들을 필두로 한 ‘직접리튬추출(DLE: Direct Lithium Extraction)’ 기술이 기대를 모으며 최근 여러 파일럿 실증 테스트 생산에 들어감
- 기존 증발법이 수 개월 걸리는 반면 이 기술은 수 일 이내로 단축시킬 수 있으며, 리튬회수율도 높고, 저농도 리튬 지역에서도 가능해 여러 지역에서 생산량이 크게 늘어날 수 있음
- 직접리튬추출은 흡착, 이온교환, 용매추출, 분리 등의 방법이 사용되는데, 기존 증발법의 리튬 회수율이 40~50%인데 반해 최대 80~90%까지 가능. 다만 아직 여러 입지 조건에서의 대규모 실증이 필요
