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로스킬, 리튬이온배터리 산업 성장 진단 및 전망

박정한 기자

기사입력 : 2021-05-08 08:00

리튬이온배터리 시장이 성숙함에 따라 보다 저렴한 비용의 배터리가 요구되고 있다.이미지 확대보기
리튬이온배터리 시장이 성숙함에 따라 보다 저렴한 비용의 배터리가 요구되고 있다.
리튬이온배터리는 다른 배터리에 비해 가볍고 높은 에너지 밀도로 고용량, 고효율 구현이 가능하다. 이 때문에 소형 가전, IT 디바이스부터 전동공구, ESS, 전기차까지 널리 쓰이고 있다. 주요 전략 산업으로 부상한 리튬 이온 배터리 시설은 세계 19개국에서 운영되거나 계획되어 있는 것으로 알려졌다.

리튬이온배터리의 사용은 1990년대에 상용 제품에 초기 통합 이후 빠르게 성장해 왔다. 일본과 한국에서 리튬이온배터리가 휴대용 전자 제품에서 널리 보급되었다. 2010년 이후 자동차 애플리케이션의 사용이 증가함에 따라 수요 증가가 가속화되고 승용차, 버스, 보트, 심지어 비행기의 동력에까지 사용되면서 대형 전지 생산으로의 전환이 가속화되었다.
자재 공급망 관련 시장조사업체 로스킬(Roskill)이 리튬이온배터리 관련 특허를 분석해 기술변화를 추적한 보고서를 펴냈다. 로스킬은 백서를 통해 재료 활용 측면에서 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 쪽으로 시장이 기울고 있다고 진단했다.

◇ 리튬이온배터리의 산업 전망


주요 배터리 생산 시설은 2021년 초에 1750억 달러 이상의 투자를 보유하고 있다. 이미 많은 자본이 투입되었음에도 2030년까지 2200GWh용량에 접근할 것으로 예상되고 있어 용량 확장에 대한 추가 투자가 필요할 것으로 보인다.

한편 리튬이온배터리 시장이 성숙함에 따라 더 낮은 비용의 리튬이온배터리에 대한 요구가 늘어나고 있어 관련 기술 발달도 진행되고 있다. 향후 자동차 산업은 2030년까지 전 세계 배터리 용량의 80%를 초과하는 리튬이온배터리 수요의 지배력을 높일 것으로 예상된다. 2030년까지 리튬이온배터리의 매출은 자동차 매출의 24%에 근접할 것으로 예상되고 있다.

◇리튬이온배터리 연구 선두주자 LG와 삼성

전 세계적으로 시장이 성장하면서 주요 국가와 기업을 중심으로 리튬이온배터리에 대한 기술 개발이 적극적으로 진행되고 있는 것으로 나타났다. 이 가운데서도 특히 최근 들어 한국의 LG와 삼성이 리튬이온배터리 연구의 선두에 서 있음이 특허 출원 건수를 통해 나타났다.

일본은 리튬이온을 개발했지만 현재는 전고체 배터리 개발에 전력을 쏟고 있는 것으로 조사됐다.

로스킬의 보고서는 2030년까지 리튬이온배터리가 기술 진전과 함께 계속될 것이나 전고체 배터리 개발과 상용화 규모에 따라 배터리 시장을 양분할 것으로 조심스럽게 관측한다.
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위 그림에서 보듯이 리튬이온배터리의 화학적 결합원소로 망간-니켈-실리콘이 가장 많이 언급된 것을 바로 알 수 있다. 망간은 니켈을 약간 추월해 2위 자리를 차지하고 있다.

망간은 고체의 전위 원소로 자체는 아주 무르지만 철의 합금원소로 자주 이용된다. 철 내부에서 내식성과 강도를 해치는 원소인 황과 결합하여 MnS를 만들므로 황의 해로운 성질을 경감한다. 또한 공업에서 이용되는 망가니즈 화합물로는 이산화망간이나 황산망간이 있다. 이산화망간은 건전지 제조에 이용된다.

니켈은 고체의 전위원소로 표면이 산화하며 치밀한 막이 생겨 내부를 보호해서 녹이 잘 슬지 않으므로 철 등의 금속 표면에 도금하거나 합금을 만들어 부식 방지로 사용할 수 있다. 니켈 합금은 60% 농도의 불산(불화수소산)에 견디는 극소수 금속 재료이기도 하다.

실리콘은 규소와 산소의 결합을 주축으로 하는 중합체를 의미한다. 무색무취이며 산화가 느리고 고온에서도 안정적인 절연체이다. 로스킬은 최근 테슬라와 폭스바겐 등이 망간이 풍부한 화학 물질에 대한 관심을 표명한 때문에 망간 언급이 늘어난 것으로 진단하고 있다.

최근 몇 년 동안 리튬이온배터리, 특히 전기차에서 생산자와 고객 환경 설정 및 많은 시장 관련 요인에 의해 화학물질 수요에 몇 가지 급진적 변화가 나타났다.

로스킬 전문가들은 배터리 기술 발전을 진단하기 위해 화학 원소 관련 300개 이상 특허 출원을 검색한 결과 망간과 니켈 300여회, 실리콘은 약 290여회 언급되었고, 코발트가 그 뒤를 이어 약 250개의 응용 분야에서 언급되었음을 확인했다.

로스킬은 리튬이온배터리 기술 발전 양상을 살펴보기 위해 리튬과 결합하는 각종 화학원소를 검색했는데 니켈-코발트-망간 산화물(NCM), 니켈-코발트-알루미늄 산화물(NCA), 철인산염(LFP), 코발트 산화물(LCO), 망간 산화물(LMO) 같은 결합물질이 가장 인기 있는 배터리 화학 물질들임을 확인했다고 한다.

지난 20년 동안 배터리 분야 특허 출원에 있어서는 일본이 1만4000건 이상으로 가장 많았고, 다음은 미국으로 6700건 이상, 그 다음은 한국으로 6500건, 그 다음은 중국으로 약 1400건이 등록되어 있다.

지난 5년 동안 특허의 변화를 추적한 결과 2017년이 8000개 이상 특허 출원으로 가장 많았고, 2018년에는 6000건의 신청이 등록되었으며, 2019년에는 약 5000건, 2020년에는 2000건 미만이 등록된 것으로 확인되었다.

전체 특허를 조사한 결과 전기차를 비롯해 배터리 사용이 많아지면서 전체적으로 130만 건 이상의 특허 기록이 리튬이온배터리와의 관계를 언급하고 있는 것으로 확인됐다. 특히 리튬이온배터리 관련 LG와 삼성이 7000여 건의 특허 출원을 통해 선두자리를 유지하고 있다는 분석도 나왔다.

두 회사 모두 2012~2014년에 특허 출원 활동이 최고조에 달했으며, 로스킬은 생산의 전반적인 참여와 최초의 대규모 생산 시설을 구축하는 데 부합한다고 말했다.

세계 최고 배터리 기업인 도요타는 이 측정에서 3위를 차지했는데, 이는 리튬이온배터리보다는 전고체 기술 연구 때문으로 보인다.
리튬이온배터리.이미지 확대보기
리튬이온배터리.


◇리튬이온배터리 이후의 단계


로스킬의 보고서에 따르면 현재는 리튬이온배터리가 대세이나 그 다음 단계는 실리콘 배터리, 전고체 배터리 기술이 될 것으로 전망된다. 리튬이온배터리에서 실리콘 사용 연구는 한 동안 증가했는데 과학자들은 충전 배출 주기 동안 실리콘의 팽창으로 인한 기계적 손상의 가능성을 제거하기 위해 노력하고 있다고 기술의 진전 과정을 설명한다.

2021년 실리콘 기반 배터리 사용은 넥슨과 신에츠케미칼에서 나타날 것으로 본다. 넥슨은 2019년 말 실리콘 관련 배터리 특허를 취득했다. 신에쓰케미칼은 일본 주요 화학회사로 배터리 애플리케이션 등 다양한 형태로 실리콘을 생산하고 있다.

리튬 금속 양극 출원에 관해서, 애널리스트는 2010년부터 2017년에 1200건의 제출 피크를 기록했으며, 대부분 활동은 LG, 삼성, 보쉬와 같은 가장 큰 생산업체에서 비롯되었지만, 다른 미국 기반 기업들이 중심 단계에 접근하면서 증가세를 보였다.

배터리 산업의 ‘성배’로 간주되는 전고체 배터리에 관해서는 2017년에 4000개 이상 응용 프로그램이 나와 정점을 찍었고 이후 조금씩 줄어들고 있다. 로스킬은 “전고체 배터리는 에너지 밀도가 높고 화재가 쉽게 발생하지 않아 많은 기업과 연구기관에서 연구 과제로 삼고 있다”고 진단한다.

도요타는 전고체 배터리와 관련해 2000년과 2020년 사이 거의 4500건의 특허를 출원해서 세계 1위를 차지하고 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com
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