리튬이온배터리 : 반도체 시대를 지나 배터리 시대로

리튬이온배터리의 착한 재료들 (양극재, 음극재 편)

15기 김상재

 

[2019년 노벨화학상 수상 : 리튬이온배터리]

 2019년 노벨화학상 수상자로 ‘리튬 이온 배터리’를 개발한 존 구디너프, 스탠리 위팅엄, 요시노 아키라(영문명 : John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino) 라는 세 명의 연구자들이 선정되었다.

 

 2019년 10월 9일 발표 직후, 노벨위원회 위원인 Olof Ramström 교수가 인터뷰를 통해 한 이야기 중 "이 환상적인 배터리 덕분에 사회에 엄청난 극적인 효과를 볼 수 있습니다" 이 말은 현재 리튬이온배터리에 사람들이 관심을 가지는 이유를 알려준다고 할 수 있다. 

 

 Olof Ramström 교수는 그들이 개발한 세계에서 가장 강력한 충전식 배터리는 휴대폰 및 노트북과 같은 무선 전자 장치의 기초를 마련했으며 전기 자동차에 전력을 공급하는 것부터 저장에 이르기까지 모든 것에 사용되고 있다고 이야기하였다. 이는 리튬이온배터리가 세계적인 재생 가능한 에너지원으로 도약하였고 새로운 재충전 세계의 기초를 만드는 데 큰 역할을 했다고 할 수 있다. 

[자료 1. 리튬원소] 

출처 : Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 : LITHIUM-ION BATTERIES

 

[2019년 리튬이온배터리 특허 전쟁 : SK이노베이션 VS LG화학]

 게다가 우리나라에서는 최근 LG화학, 도레이인더스트리 그리고 SK이노베이션 간 배터리 특허 관련 전쟁으로 인해 리튬이온배터리가 언론에 많이 노출되고 있다.

 

  LG화학과 SK이노베이션의 끊임없는 소송전이 계속되고 있는데 올해 4월 LG화학이 SK이노베이션이 2차 전지 영업비밀을 침해했다며 미국 국제무역위원회(ITC) 등에 제소한 것을 시작으로 양 사는 소송전을 반복하고 있다. 

 

 지난 28일 SK이노베이션이 공개한 지난 2014년 10월 LG화학과 맺은 합의문에 의하면 “양사가 장기적 성장 및 발전을 위해 2011년 이후 계속된 세라믹 코팅 분리막에 관한 등록 제775310호 특허와 관련된 모든 소송·분쟁을 종결한다”고 적혀 있다. 서로의 소 취하와 국내는 물론 국외에서 상호 간에 특허침해 금지나 손해배상 청구, 특허 무효를 주장하는 쟁송하지 않으며, 합의는 10년간 유효하다 등의 내용이 담겼다. 이 내용을 두고 SK이노베이션은 LG화학의 특허소송이 양 사 합의를 파기했다고 주장하였고 LG화학은 SK이노베이션이 법리를 이해하지 못하며 ‘억지 주장’을 편다고 반박했다. 

 

 게다가 LG화학과 SK이노베이션 전기차 배터리 소송전에 일본 기업 도레이인더스트리가 가세한 것으로 확인되면서 한국 기업 간 소송전에서 일본 기업의 합류로 국제적인 소송전으로까지 퍼진 상황이다. 

 

 LG화학이 지난 26일 미국 국제무역위원회에 제출한 소장에 따르면 일본 도레이인더스트리는 원고에 LG화학과 같이 이름을 올렸다. 이 소장에서 LG화학과 도레이는 SK이노베이션과 SK이노베이션 미국법인이 전기차 배터리용 분리막 특허를 침해했다고 주장하며 자사 배터리 소재 특허를 침해한 SK이노베이션의 배터리 셀과 모듈 등의 미국 내 수입 금지를 요청하였다. 

[자료 2. SK이노베이션 VS LG화학 배터리 전쟁 흐름도]

출처 : NEWS 1 

 

LG화학은 소장을 통해 주장한 침해 특허는 배터리 핵심 소재인 안전성 강화 분리막(SRS) 미국 특허 3건과 양극재 미국 특허 2건 등이다. 이중 LG화학이 도레이와 공동특허권리를 보유하고 있는 건 SRS 미국 특허 3건이다.

[자료 3. 분리막 관련 특허 현황]

출처 : 과학기술일자리진흥원, 리튬이차전지 소재 기술동향 

 

결국 이번 분쟁은 인재 유출에 따른 영업비밀과 지식재산권 침해에서 시작하여 제2의 반도체로 불리는 배터리의 기술력 확보 및 시장 선점을 위한 글로벌 기업들의 경쟁이라고 많은 전문가는 이야기하고 있다.  

 

[리튬이온배터리 기본원리]

 기본적인 이차전지의 기본 원리는 전기 화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고 그 반대 과정으로 충전되는 원리이다.

 이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 달라 이때 발생하는 물질의 고유에너지 차이로 인한 전압 차를 이용하는데 리튬이온전지의 경우 양극에 있던 리튬이온이 빠져나와 전해질을 통해 음극의 가는 충전과 그 반대인 방전이 일어난다. 

[자료 4. 리튬이온배터리의 충전, 방전 개념도]

출처 : 리튬이온이차전지 기술 동향과 미래 전망, KIST 이차전지센터

 

 리튬이차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈리가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 하며, 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때 일어나는 전기화학적 산화, 환원반응에 의하여 발생하는 전자가 전기에너지를 생성한다.

[자료 5. 리튬이온배터리의 기본구성도]

출처 : Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 : LITHIUM-ION BATTERIES

 

[리튬이온배터리 구성요소와 재료개발의 필요성]

 전 세계적으로 차세대 에너지원을 우선적으로 확보하기 위한 경쟁 상태에 돌입해 있고 그러한 에너지원으로 인해 국가 간 분쟁도 일어나고 있는 실정이다. 현재 리튬이차전지가 전기자동차와 에너지 저장장치로서 각광을 받고 있어 이에 따라 전지를 구성하는 소재 확보가 문제점으로 지적되고 있다.

 

 리튬이차전지 산업은 크게 셀 제조업과 소재산업으로 분류할 수 있다. 셀 제조업은 이차전지를 생산하는 것이며, 소재산업은 리튬이차전지를 이루는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해질을 생산하는 것이다. 

[자료 6. 리튬이온배터리 구조]

출처 : LG화학

 

4대 핵심소재산업에서는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되며 스마트폰, 전기자동차 등 각각의 응용처에서 요구하는 성능에 맞추어 다양한 성능의 이차전지가 개발되고 있으며 셀 제조업에서는 소형 이차전지의 경우 주로 스마트폰 등 휴대용 전자기기에서 사용되며 중대형 이차전지의 경우 전기자동차 대용량 에너지저장장치 등에 사용되는 이차전지를 생산하고 있다. 

 

 하지만 리튬이차전지 원가의 50~60%가량은 소재가 차지하고 있는 상황에서 리튬이차전지를 생산하는 셀 제조업의 발전과 더불어 소재산업에도 충분한 관심과 연구가 필요하다. 소재산업에서는 무엇보다도 배터리의 원료가 되는 리튬, 니켈, 코발트 등에 대한 확보대책과 함께 소재 분야에서의 획기적인 재료 개발이 필요할 때다. 

 

[리튬이온배터리 구성요소별 재료 및 시장현황]

[자료 7. 리튬이온배터리 구조별 역할]

출처 : 삼성SDI

 

배터리 시장조사업체들은 2016년 25GWh였던 글로벌 배터리 시장이 2020년 110GWh로, 2025년 350GWh 이상 성장할 것으로 전망하면서 리튬이온배터리 구조 중 두 가지 부분에 주목하였다. 

 

1. 배터리 시장 급성장으로 이차전지 소재인 양극재(리튬, 코발트, 니켈, 망간) 및 음극재(흑연)의 가격도 급등하고 있다.

2. 대표적 양극재 소재인 코발트의 경우 2016년 말 이후 가격이 2.5배 이상 급등하였고 음극재인 흑연가격도 꾸준히 상승하고 있다. 

[자료 8. 코발트의 가격 변동 그래프]

출처: 한국자원정보 서비스

[자료 9. 리튬이차전지 소재분류]

출처 : 에너지생산·저장(중소·중견기업 기술로드맵, 2016-2018)

 

[양극재]

 양극활물질은 전자를 받아 양이온과 함께 자신은 환원되는 물질을 말하며 리튬이온이차전지 전체 재료비의 40%를 차지하는 소재이다. 이 중 시장의 확대가 가장 기대되는 것은 양극재로 이 양극재에서도 시장의 대부분을 차지하고 있는 것이 리튬니켈코발트망간(NCM)이며 우리 기업들이 주목하고 있는 분야이다. 

 

 리튬이차전지는 양극과 음극 사이에 리튬이온의 이동으로 충전과 방전이 수백 회 이상 반복되며 이 전지를 구성하는 핵심 부품 소재 가운데 원가 비중이 35%로 가장 높고 성능에 영향을 많이 주는 것이 양극재이며 이차전지를 생산하는데 가장 핵심 재료로 구성하는 재료에 따라 LCO(리튬코발트), NCM(리튬니켈코발트망간), NCA(리튬니켈코발트알루미늄), LMO(리튬망간), LFP(리튬철인) 등으로 구성되어 있으며 가장 대표적인 소재는 코발트, 니켈, 망간 등이 있다. 

[자료 10. 리튬이차전지 양극재 대표재료들]

출처 : Recent Advances in Cathode and Anode Materials for Lithium Ion Batteries

 

[음극재]

 음극활물질이란 산화시 전자를 방출하는 소재로 리튬이온전지 재료의 10% 정도를 차지하며, 초기 리튬금속전지에서는 리튬을 직접 활용하였지만 위험성 등의 문제로 다른 물질로 대체되었다.

 

 리튬 금속을 대체할 음극 재료가 갖추어야 할 요건들은 다음과 같다.

 [금속 리튬의 전극전위에 근접한 전위를 가져야 하며, 부피당 무게당 에너지 밀도가 높아야 한다. 뛰어난 충·방전 안전성을 가지며 고속 충·방전에 견딜 수 있어야 한다.] 

 

 음극재는 양극재와 함께 전기를 생산하는 주요 재료지만 비중은 약 10%로 양극재에 비해서 상대적으로 재료비에서 차지하는 비중은 작지만 연간 평균 15~30% 사이의 성장률로 2025년 음극재 시장규모는 76억 달러까지 성장할 것으로 예상되며 이는 현재 시장규모의 4배 이상이 될 전망이다. 

[자료 11. 리튬이차전지 음극재 대표재료들]

출처 : Recent Advances in Cathode and Anode Materials for Lithium Ion Batteries

 

 음극재의 에너지 밀도 개선을 위해서 전극 재료의 변경, 도포 기술의 향상, 전극 Packing 기술의 향상, 음극의 충·방전 효율 향상 등이 있으나 전극 재료의 변경을 제외한 수단은 이미 한계에 이른 것으로 판단되고 있다. 

 

사실 더 오래 가고 빨리 충전되는 배터리를 만들려면 전극의 성능이 좋아야 한다. 현재 리튬이온배터리의 경우 음극재로 흑연이 널리 쓰이고 있다. 흔하고 싼 재료인 데다 층상 구조라 틈새에 리튬이온이 쉽게 들어갔다가(충전) 나올 수 있고(방전), 이 과정이 반복돼도 안정적이기 때문이다. 다만 에너지 밀도가 높지 않고 충전 속도도 빠르지 않다.

 

 이 약점을 극복하기 위해 유니스트의 조재필 교수 연구팀은 먼저 흑연의 가장자리를 살짝 부식시켜 리튬이온이 좀 더 쉽게 드나들 수 있게 하고, 여기에 실리콘 나노층을 입혀 에너지 밀도를 높였다. 그 결과 기존 흑연 음극에 비해 충전 시간과 속도가 모두 개선된 음극 소재를 개발하는 등 효과적인 전극재료의 변경을 위한 연구들이 진행 중이다. 

 

[반도체 시대를 지나 배터리 시대로]

 2019년 6월 10일~13일 칠레 산티아고에서 개최된 제11회 국제 리튬 컨퍼런스(11th International Lithium Supply & Markets Conference)에서는 리튬도 책임광물(Responsible Minerals)이라는 주장과 함께 사회적 책임을 강조하였다.

 

 이는 리튬이온배터리의 시대가 도래하며 이제 리튬의 생산과 품질만 생각해서는 안 되고, 리튬이 인류 생활에 큰 변화를 가져올 제품 소재라는 사명감을 가져야 한다는 주장인 것이다.

 

 현재 리튬생산의 문제점으로 지적되고 있는 남미 고지대 생산지에서 원주민의 노동력을 착취하는 방식으로 원가절감을 추진해서는 안된다는 압박과 무분별한 남미 고지대 용수 사용, 자연환경보호, 고지대 근로조건 준수 등에 대한 간접적 압력을 부여한 것으로 해석할 수 있다. 

 [자료 12. 리튬의 국제무역 현황을 보여주는 지도, 연결선의 빨간색 끝이 수출국, 녹색 끝이 수입국]

출처 : ‘줄’ 제공 

 

또한 컨퍼런스에서는 2025년 리튬 총수요를 821천톤으로 2018년 대비 3.3배 성장할 것으로 예측하였다. 

이런 폭발적인 성장은 리튬 수요가 전기자동차 배터리 수요성장과 절대적으로 연동 관계에 있다는 분석 아래에 예측된 것이다.

 대용량배터리 장착 전기자동차 확대추세에 따라 전체 리튬 수요 중 전기자동차배터리 비중은 2018년 25%에서 2025년 64%로 급성장할 것이며 산업용 제품, IT 기기, ESS, E-bike 등의 수요도 꾸준히 성장하나 절대량 측면에서 큰 영향력을 발휘하지는 못할 것으로 전망하고 있다. 

[자료 13. 리튬수요의 변화예측] 

출처 : POSRI 이슈리포트

 

현재 리튬이차전지의 최대 수요처는 노트북과 휴대폰과 같은 디지털 디바이스가 주를 이루고 있지만 추후 리튬이차 전지의 응용 분야는 휴대용 정보통신 기기에서 고용량 이차전지인 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 우주 및 항공 분야, 에너지 저장 시스템 등으로 확대되어 지속적인 시장 성장이 예측되고 있다.

 

 결국, 우리나라의 리튬이차전지 산업 중 셀 제조업과 소재산업 모두 수요에 맞게 적극적인 투자와 연구개발이 필요한 시점이라고 할 수 있다.  

 

 이번 2019년 노벨화학상을 세 명의 교수에게 부여하며 대중들에게 공개된 자료 중 이런 말이 있다.

 "LITHIUM-ION BATTERIES : We have yet to see the overall consequences of this development"

 이 말처럼 지금까지도 엄청난 속도로 발전했지만, 더 많은 중요한 발견이 배터리 기술에서 나올 것으로 기대하고 있고 앞으로 우리의 편의뿐만 아니라 지구 및 지역 환경까지 아우르는 즉, 지구 전체의 지속 가능성에 기여하는 성과를 기대해봐도 좋을 것이다. 

 

참고문헌

 

1. 2차전지 새로운 바람(IBK 투자증권, 2018) 

 

2. 에너지생산·저장(중소·중견기업 기술로드맵, 2016-2018)

 

3. 전기자동차 시장 및 Battery 수급 전망(SNE리서치, 2018)

 

4. 국내 이차전지 관련 동향(산업연구원, 2018)

 

5. 리튬이차전지 소재 기술동향 (과학기술일자리진흥원, 2018)

 

6. Van Hiep Nguyen and Young Ho Kim, Recent Advances in Cathode and Anode Materials for Lithium Ion Batteries, 
Appl. Chem. Eng., Vol. 29, No. 6, December 2018, 635-644

 

7. Y. Qin, Q. Li, J. Xu, X. Wang, G. Zhao, C. Liu, X. Yan. Y. Long, S. Yan, and S. Li, CoO-Co nanocomposite anode with enhanced electrochemical performance for lithium-ion batteries, Electrochim.  Acta, 2017, 90-95 

 

8. Jeong, Beomjin, Yoon, Myongo, and Lee, Jun, Study on the Hazard Categorization and Loss Prevention 
Standards of Lithium-ion Battery Manufacturing Occupancies , J. Korean Soc. Hazard Mitig. Vol. 19, No. 1 (Feb. 2019), pp.249~256

 

9. 글로벌 리튬 산업 7대 이슈 (포스코경영연구원, 2019)

 

10. 아프리카 이차전지소재 현황과 시사점 (포스코경영연구원, 2018)

 

11. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2019 : LITHIUM-ION BATTERIES, The royal swedish academy of sciences, Oct 2019

 

12. The nobel prize in chemistry 2019 Popular Sceince Background, The royal swedish academy of sciences, Oct 2019