리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)

과학(Science)/산업 (Industry)

리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 1. 11:00

0. 목차

'리튬 이온 전지'란?
'리튬 이온 전지' 산업
'리튬 이온 전지'의 기본 구동 방식
'리튬 이온 전지'의 4대 핵심 부품
'리튬 이온 전지' 발전 방향
'리튬 이온 전지' 관련 기업

1. '리튬 이온 전지'란?

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 저장이 가능해, 재충전이 사용한 '2차전지(Secondary Cell)'의 일종이다. '2차전지(Secondary Cell)'는 전기화학적 산화·환원 반응을 통해 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환해 회로에 전원을 공급하며, 방전 시, 외부의 전원을 통해 전기적 에너지를 화학적으로 변환시켜 전기 저장이 가능한 전지이다. 이는 재사용이 불가능한 일회용 알칼리성 전지와 같은 '1차전지(Primary Cell)' 대비 충전이 가능해 다양한 용도로 적용이 가능하다.

'리튬 이온 전지(LIB)'는 '높은 에너지 밀도', '높은 전압', '친환경성', '비메모리 효과'로 인한 높은 수명을 보유해, '납축전지(Lead Storage Battery)' 및 '니켈-카드뮴 전지(Nickel-Cadmium Battery)'를 대체하는 대표적인 '2차전지(Secondary Cell)'로 성장하였다.

리튬 이온 전지 특징	주요 내용
높은 에너지 밀도	기존 납축전지 대비 4~5배의 에너지 밀도
높은 전압	기존 전지 대비 3배 고전압
친환경성	'환경규제물질(Cd, Hg, Pb)' 미포함
친환경성	재활용 가능
비메모리 효과 및 높은 수명	충방전 반복으로 인한 방전용량 감소 없음

1-1. 왜 하필 '리튬'인가?

'리튬(Li, 원자번호 3번)'의 원자 질량은 금속 중 가장 가벼운 '알칼리 금속(Alkali Metal)'으로, 배터리의 무게를 줄여 소형화가 가능하다. '에너지 밀도(Energy Density)'는 같은 무게의 배터리 내 얼마만큼의 에너지를 저장할 수 있는지를 결정하는 요인으로, 배터리의 크기 및 용량을 좌우하는 요소이다. '리튬(Li)'은 높은 에너지 밀도로 인해 용적이 큰 장점이 있어 '높은 충·방전 효율', '고에너지 밀도', '출력 밀도'를 요구하는 산업에 이상적인 전극 재료다. '리튬 이온 전지'는 기존 '전지(Battery)'의 소재인 '카드뮴(Cd)', '수은(Hg)', '납(Pb)' 등의 환경규제물질을 미포함하며, 폐전지로부터 재활용이 가능해 친환경적이다. 또한 메모리 효과가 없어 충·방전을 반복해도 용량이 쉽게 줄어들지 않는 장점을 가진다.

1-2. '리튬 이온 전지'의 유형

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 배터리의 형태에 따라서 '원통형', '각형', '파우치형'으로 구분된다. '원통형 배터리'는 원통 형태의 고용량·고에너지 배터리로, 순간적으로 많은 전력을 요구하는 '가드닝 공구' 및 '전동 공구' 등에 사용된다. 하지만 소형화가 어려워 소형 IT 기기에 적합하지 않아, 얇은 형태의 각형 배터리가 개발되었다. 대표적인 각형 배터리는 스마트폰용이며, 점차 노트북에도 사용되며 성장하였다. '각형 배터리'는 알루미늄 캔으로 이루어졌기에 구조적 안정성이 필요한 전기차용 배터리에도 보급되고 있다. '파우치형 배터리는 외관이 얇아, 모양 설계가 원통형·각형 대비 용이하다. 또한 제조 공정이 간단해 대량생산이 가능하고, 용도에 따라 크기·용량 변화가 가능해 급속도로 성장 중이다.

1-3. '리튬 이온 전지'의 구성

'전지(Battery)'는 '셀(Cell)', '모듈(Module)', '팩(Pack)'으로 구성되어 용량 조절이 가능하다. '셀(Cell)'은 '전지(Battery)'의 최소 단위이자 성능을 좌우하는 단위로, 단위 부피당 높은 용량이 요구된다. '셀'을 외부 충격 및 열로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣어 구성된 조립체가 '모듈(Module)'이다. 최종적으로 '모듈(Module)'에 '배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)', '냉각 장치(Cooling System)' 등 제어장치를 장착하여 일체화된 팩이 구성되고, 조합 변경이 다양하게 가능해 '모듈(Module)' 및 '팩(Pack)'의 설계도 경쟁 요소로 작용한다.

2. '리튬 이온 전지' 산업

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 고에너지 밀도 및 소형화가 가능한 장점으로 소형 기기에 사용되었으나, 차세대 이동 수단인 전기차를 중심으로 수요가 급증하고 있다. '리튬 이온 전지(LIB)'는 '사물인터넷(IoT: Internet of Things)', '웨어러블 기기(Wearable Device)', '인공지능(AI)' 등의 미래 기술과 '전기차' 및 '에너지 저장 장치(ESS)' 등 신재생에너지 활용에 필수적이다. 이에 '리튬 이온 전지'는 제2의 반도체로 주목받으며, 4차 산업혁명의 핵심소재로 성장하고 있다.

특히 '기후변화' 및 '환경 오염 문제'에 대한 우려로 화석연료 대체를 위한 친환경 에너지 보급 정책과 인식이 확대 중이다. 전기차에 대한 세계 각국 정부의 '인센티브(Incentive)' 제공은 내연기관차 대비 높은 가격의 전기차 보급에 효과적으로 작용 중으로, 시장 확장은 지속할 것으로 판단된다. 또한 '에너지 저장 장치(ESS)'의 수요도 꾸준히 증가 중으로, 배터리 제조 원가를 통한 경제성 확보를 위한 업체 간 협력 관계가 형성되고 있다.

2-1. '리튬 이온 전지' 산업의 특징

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 크기에 따라 '소형'과 '중대형'으로 분류된다. '소형 전지'는 주로 '스마트폰(Smartphone)', '태블릿(Tablet)', '노트북(Notebook)' 등의 전자기기에 사용되었던 주류 전지였으나, 최근에는 '전기차' 및 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'에 적용 가능한 '중대형 전지 시장'이 급성장 중이다. 또한 초소형 및 대용량 전지 적용이 가능한 신규 산업 등 다양한 산업으로 확장할 수 있어, '제품 안전성 향상', '가격 경쟁력 확보', '팩 설계 기술' 등의 소재 관련 원천기술 확보가 필요하다.

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)' 산업의 특징은 크게 '기술집약적 산업', '성장기의 전방 산업', '높은 시장 진입 장벽을 가진 산업', '첨단 융·복합 산업', '수요처별 테마 산업'으로 요약할 수 있다.

특징	주요 내용
기술집약적 산업	소재 가격 및 기능 관련 원천기술 확보에 따른 수익성 차이가 큼
기술집약적 산업	기술 차별화 전략 및 연구 투자가 활발
성장기의 전방 산업	소형 배터리 시장에서 전기차, 중대형 시장으로 급속한 성장 중
성장기의 전방 산업	드롯, 로봇, 스마트홈 등 미래산업 핵심 기술로 적용 가능
높은 시장진입장벽을 가진 산업	소재기술을 보유한 일본 업체들, 흑연, 코발트 등 원재료의 가격 경쟁력이 있는 중국 업체로 인해 경쟁 강도가 높음
첨단 융·복합 산업	양극 및 음극 소재, 분리막, 전해질 등의 고성능 소재 개발을 위해 '화학', '재료', '전기 공학' 등 다방면 기술 이해도가 필요
수요처별 테마 산업	소형: 휴대용 전자기기
수요처별 테마 산업	중형 및 고출력 제품: 전기차

2-2. '리튬 이온 전지' 전후방 산업

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'가 산업의 구조는 아래의 표와 같다. 리튬 이온 전지의 후방 산업은 '양극재(양극 소재, Cathode Material)', '음극재(음극 소재, Anode Materials)', '전해질(Electrolyte)', '분리막(Separation Membrane)' 등의 기초 유기·무기 화학 물질과 '금속선 및 금속판'으로 구성되어 있다. '전방 산업'은 '스마트폰', '카메라', '노트북' 등의 휴대용 전자기기, '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)' 및 차세대 운송수단인 '전기차' 등 광범위한 산업이 속한다.

LIB 산업	세부
후방 산업	양극재(Cathode Material)
	음극재(Anode Materials)
	전해질(Electrolyte)
	분리막(Separation Membrane)
	'금속선(Metallic Wire)' 및 '금속판(Metallic Plate)'
리튬 이온 전지	리튬 이온 전지(Lithium-ion Battery)
전방 산업	전기차(Electric Car)
	드론(Drone)
	전동스쿠터(Electric Scooter)
	스마트폰(Smartphone)
	카메라(Camera)

3. '리튬 이온 전지'의 기본 구동 방식

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 '양극(Cathode)'과 '음극(Anode)' 소재의 '산화·환원 반응(Oxidation-Reduction Reaction)'으로 인해 '화학 에너지'를 '전기 에너지'로 변환시킨다. 해당 반응은 '전자(Electron)' 이동으로 일어나는 반응이며, 전자를 잃은 경우 '산화(Oxidation)', 전자를 얻은 경우 '환원(Reduction)'이라고 표현한다. 해당 과정에서 '리튬 이온(Li⁺)'과 분리된 '전자'가 도선을 따라 양극과 음극 사이를 움직이며 전자가 발생한다. '방전(Discharge)' 과정 시, 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하며, '충전(Charge)'의 경우에는 '리튬 이온'이 양극에서 음극으로 이동하는 원리로 작동한다. 양극과 음극은 전하를 제공 및 저장하는 요소이기에 중요도가 높은 부품이다.

4. '리튬 이온 전지'의 4대 핵심 부품

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'는 크게 충·방전 전압이 높은 '양극(Cathode)', 충·방전 전압이 낮은 '음극(Anode)', '리튬 이온의 이동 매개체인 '전해질(Electrolyte)', 전기적 단락을 방지하는 '분리막(Separator)' 4가지의 구성요소로 구성되며, '절연층(Insulator)'과 '도전재(Conductor)' 등이 추가되어 '셀(Cell)'을 구성한다.

양극(Cathode): 방전 시 환원 반응이 일어나는 전극
음극(Anode): 방전 시 산화 반응이 일어나는 전극
전해질(Electrolyte): 음극-양극 간 리튬 이온 전달 매개체 역할
분리막(Separator): 음극과 양극의 물리적 접촉 방지 역할

4-1. 양극재(Cathode Material)

'리튬(Li)'은 원소 상태에서 반응이 불안정하기에 '리튬'과 '산소'가 만나 생성된 '리튬산화문(Li⁺O)'이 양극으로 구성된다. '양극'은 전지의 '수명', '용량', '출력량'을 결정짓는 물질이며 제조 단가의 30% 이상을 차지하는 물질이다. 따라서 성능 향상을 위해 가격 경쟁력과 고에너지 밀도를 보유한 고성능 소재 개발이 중요하다.

양극 재료는 크게 'LCO(리튬코발트산화물, LiCoO₂)', 'LFP(리튬인산철산화물, LiFePO₄)', 'LMO(리튬망간산화물, LiMn₂O₄)', 그리고 '삼원계 소재'인 '니켈코발트 망간(NCM)', '니켈코발트알루미늄(NCA)' 등으로 구분된다. 소형 배터리 양극 소재로는 충전 및 합성이 유리한 LCO가 사용되고, 중대형에는 순간 출력과 수명이 우수한 NCM와 NCA이 사용된다.

특성	LCO	LFP	LMO	삼원계
특성	LCO	LFP	LMO	NCM	NCA
분자식	LiCoO₂	LiFePO₄	LiMN₂O₄	Li(Ni,Co,Mn)O₂	Li(Ni,Co,Al)O₂
구조	층상 구조(Layered Structure)	올리빈 구조(Olivine Structure)	스피넬 구조(Spinel Structure)	층상 구조(Layered Structure)	층상구조(Layered Structure)
가격	-	낮은 가격	낮은 가격	-	-
에너지 밀도	높은 에너지 밀도	-	-	높은 에너지 밀도
특성	긴 수명, 코발트 가격 및 안정성 문제	높은 안정성, 성능 개선 필요	높은 충방전 특성, 고온 작동 불안정	고출력 적합, 전기차용 확대 중
용도	소형 전자 기기(스마트폰, 태블릿 등)	소형 및 중대형 기기 (스마트폰, 전기차 등)	소형 및 중대형 기기 (전동 공구, 전기차)	소형 및 중대형 기기 (스마트폰, 전기차, ESS 등)

LCO(리튬코발트산화물, LiCoO₂): 'LCO(리튬코발트산화물)'은 층상형 결정구조를 보유한 물질로, 높은 에너지 출력으로 인해 대표적인 '리튬 이온 전지(LIB)'의 소재다. 하지만 '코발트(Co)' 원료는 대부분 중국 내 몽고 지역에 있어 원자재 수급이 어려워, 현재 폐전지에서 코발트를 추출하는 재활요 연구가 활발히 진행 중이다.
LFP(리튬인산철산화물, LiFePO₄): 'LFP(리튬인산철산화물)'는 희소금속인 코발트 대비 값이 저렴한 철로 구성되었으나 비슷한 성능을 보인다. 해당 소재는 충전 시, 이온 확산 속도가 느린 단점을 보유하고 있으나, 입자를 나노 크기로 생성하여 표면적 증가를 통해 확산 속도 문제를 보완할 수 있다. 다만, 해당 공정은 공정비용을 상승시킨다. 하지만 LFP는 층상구조가 아닌 '올리빈(Olivin)' 구조로, 안정성이 우수해 높은 수명을 가진다.
LMO(리튬망간산화물, LiMn₂O₄): 'LMO(리튬망간산화물)'의 경우, 'LCO(리튬코발트산화물)' 대비 가격이 저렴하나, 열화학적으로 불안정한 단점이 있다.

4-1-1. 삼원계 소재(LCM, NCA)

'삼원계 배터리(Ternary Battery)'는 LFP에 비해 '에너지 밀도(Energy Density)'가 높아 더 진보된 기술로 분류된다. '삼원계 배터리'는 '니켈(Ni)'과 '코발트(Co)' 소재에 '망간(Mn)' 혹은 '알루미늄(Al)'을 추가해 3가지 물질을 섞어서 만든 배터리로, 삼원계 소재로는 '니켈코발트 망간(NCM)', '니켈코발트알루미늄(NCA)' 등이 대표적이다. 삼원계 소재는 '니켈(Ni)', '코발트(Co)' 소재에 일반적으로 '망간(Mn)' 혹은 '알루미늄(Al)'을 추가해 합성하여 사용한다.

통상 NCM 삼원계 배터리는 '니켈(Ni)' 60%, '코발트(Co)' 20%, '망간(Mn)' 20%의 비율로 원료를 섞는데 '코발트(Co)'는 출력을 높여주는 역할을 한다. 고도의 기술력이 요구되는 삼원계 배터리의 주요 생산 업체로는 'LG화학'과 '삼성SDI'가 있다. 해당 업체들은 순간적으로 강한 에너지를 분출하는 '니켈(Ni)'의 불안정성을 해결하기 위해 안정성 관련 추가 연구를 진행 중이며, '코발트(Co)' 사용량을 줄여 원가 경쟁력을 확보하고 있다.

4-2. '음극재(Anode Materials)

'음극(Anode)'은 '양극(Cathode)'에서 오는 '리튬 이온'을 흡수 및 방출하여 회로를 통해 전류가 흐르게 하는 역할을 수행한다. '음극'은 '대체로 낮은 전자 화학 반응성', '구조적 안정성', '낮은 가격'을 보유한 '흑연(Graphite)'이 사용된다. '흑연'은 탄소가 결합한 층이 여러 겹 쌓인 규칙적인 구조를 가지며, 충전 과정을 통해 음극에 도달한 리튬 이온은 탄소층 사이에 저장된다. 반복적인 충전에 의한 흑연의 부피 변화는 구조 변형을 초래한다. 이는 수명 감소 요인으로 작용하기 때문에, 배터리 내부 분자의 구조적 특성을 고려한 제품이 개발되고 있다.

'비경질 탄소계(저결정성 탄소계)'는 결정구조가 불안정하여 수명이 짧으나, '리튬 이온(Li⁺)' 출입 속도가 빨라 고속 방전에 용이한 소재다. 또한 흑연 대비 '에너지 밀도(Energy Density)'가 질량 대비 약 10배로 높은 에너지 밀도를 보유한 '실리콘(Si)'도 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

분류	흑연계	비경질 탄소계(저결정성 탄소계)	금속(실리콘, 주석 등)
용량	인조 흑연: 280~360mAh/g	235~350mAh/g	700~1000mAh/g
용량	천연 흑연: 360~370mAh/g	235~350mAh/g	700~1000mAh/g
수명	높은 수명	짧은 수명	짧은 수명
안정성	높은 안정성	-	낮은 안정성
특성	가격 문제로 '천연 흑연' 및 '인조 흑연' 혼합 사용 추세	고속 방전에 유리한 특성	고용량 배터리에 적합

4-3. 전해질(Electrolyte)

'전지(Battery)' 내에서 '전자(Electron)'는 도선을 통해 이동하며, 리튬 이온은 '전해액(Electrolyte)'을 통해 이동하는 특성을 보인다. 따라서 '전해질(Electolyte)'은 '전자 이온'을 수송하기 위해, 낮은 '화학적 반응성'과 높은 '이온 전도도(Ion Conductivity)'가 요구된다. '전해질'은 유기용매로 구성된 '액체 전해질(Liquid Electrolyte)', '젤 고분자 전해질(Gel Polymer Electrolyte)', '이온 액체 전해질(Ionic Liquid Electrolyte)' 등으로 구분된다.

대표적인 전해질은 고안정성 유기 용제에 '리튬염(LiPF₆, LiClO₄, LiBF₃ 등)'을 용해한 '액체 전해질(Liquid Electrolyte)'이다. '액체 전해질(Liquid Electrolyte)'은 높은 이온 전도성 및 우수한 저온 특성이 있으나, 온도 제약이 있는 단점이 있어 고온 안정성이 뛰어난 '전고체 전해질(All-solid Electrolyte)'로 교체되고 있다.

4-4. 분리막(Separator)

'분리막(Separator)'는 양극과 음극을 물리적으로 분리하는 안정성 요소이며, 전해질이 합침될 수 있는 역할을 한다. '전지(Battery)' 내에서 양극과 음극이 집적 접촉 시, 도선을 통해 전류가 흐르지 않거나, 반응에 의한 화재에 대한 위험이 있다. 따라서 '분리막(Separator)'은 전해질과 반응성이 없고, 이온 통과가 가능한 수십 '나노미터(nm)' 크기의 '미세 기공(Micropore)'을 보유해야 한다.

대표적인 분리막 소재로는 '폴리에틸렌(PE: Polyethylene)' 혹은 '폴리프로필렌(PP: Polypropylene)' 등의 고분자 수지가 사용된다. 주로 30~60%의 '다공도(다공질 물질에서, 전 부피에 대한 구멍 부분의 부피 비율)'와 10~20μm 두께의 소재가 사용된다. 공정에 따라서는 '습식법(Wet Process)'을 사용한 '습식막(Wet Separator)'과 '건식법(Dry Process)'을 사용한 '건식막(Dry Separator)'으로 구분된다.

건식막(Dry Separator): '건식막'은 물리적으로 소재를 늘리는 '연신(Elongation)' 공정과 열처리를 통해 생성된 층을 가진다. '건식 공정'은 유해 물질 사용이 없고 초기 투자비용이 저렴해 주로 전기차용 배터리에 사용된다.
습식막(Wet Separator): '습식막'은 압출 및 화학처리를 통해 생성된다. '습식막'은 간편한 공정과 균일한 기공을 보유해 소형 전자기기의 전지에 사용된다.
강화 복합막: 강화 복합막은 세라믹 입자층을 형성해 생성되며, 분리막의 열적 및 기계적 특성 강화가 가능해 안정성이 증가된다.

특성	건식막(Dry Separator)	습식막(Wet Separator)
공정과정	저온에서 압축 필름의 연신 과정을 통해 계면 균열 발생	분리막 형성 공성 시 첨가한 가소제 추출 과정에서 발생한 기공을 연신함
소재	PE(Polyethylene)	PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PP/PE/PP
용도	중대형 전지	소형 전지
두께	10~25μm	10~25μm
특성	낮은 가격, 유해물질 미사용	건식 대비 우수한 탄성, 두께 기공 크기 균일성 보유

5. '리튬 이온 전지' 발전 방향

'리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)'의 핵심소재인 '리튬(Li)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)' 등의 광물자원 가격이 급등하여 원가경쟁력이 낮아지고 소재의 공급처가 한정되어 있어, 신규 소재의 개발이 요구되고 있다.

5-1. 신규 양극재 기술

'원자력(Nuclear Power)', '화력' 등을 통해 생성된 전기를 저장 후 필요할 때 사용이 가능한 장치인 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'는 최소 20Ah의 배터리 용량이 필요하다. 그래서 '리튬 이온 전지(LIB: Lithium-ion Battery)' 외의 전지는 낮은 용량으로 인해 제품 적용이 어려웠다. 이에 '리튬(Li)'을 대체할 '망간(Mn)' 및 '나트륨(Na)' 기반 전극이 개발되었다.

'망간(Mn)' 기반 전극 개발: '한국전력'은 리튬 소재의 안정성과 고비용을 해결하고자 '망간(Mn)'을 차세대 배터리 소재로 적용했다. '망간(Mn)'은 지구에서 12번째로 풍부한 원소로, 소재 비용이 저렴하다. 그러나 '2차 전지'로 적용 시 용량이 1Ah 수준으로, 다양한 산업에서의 사용이 어려웠던 전극 소재다. 한국전력은 '망간(Mn)'과 기존 인화성 유기물 전화질을 비인화성 수용액 기반의 전해질을 변경하여, 20Ah 용량의 망간 전지를 개발했다. 그리고 2017년부터 개발한 망간 전지를 2020년에 발표하였다. 이는 기존 '리튬 이온 전지(Lithium-ion Battery)' 가격의 절반으로 제조되어, 연간 2500억 원의 비용 절감이 가능할 것으로 예상되어, 향후 망간 소재 수요 확대가 기대된다.
'나트륨(Na)' 기반 전극 개발: '광주과학기술원(GIST: Gwangju Institute of Science and Technology)' 연구진은 '나트륨(Na)' 기반 전지의 고용량화에 성공하였다. '나트륨(Na)'은 수급이 쉬운 재료이며, '리튬(Li)'과 화학 특성이 비슷해 차세대 소재로 주목받는 소재이다. 하지만 리튬 대비 3배 무거운 질량으로 인해 '소형화의 어려움', '에너지 변환 효율', '용량' 등의 문제가 존재한다. 연구진은 '불산인사바나듐나트륨[Na₃V₂(PO₄)₂F₃]'을 전극 소재로 적용하여, 기존 나트륨 전지 대비 2배 용량의 전지 개발에 성공했다. 해당 물질은 전기 저항이 높은 단점이 있었으나, 물에 녹이는 용액 공정을 개발하여 적용하였다. 연구진은 용액 공정을 통해, 나트륨 소재의 크기를 수백 나노미터로 제어하며 '그래핀(Graphene)' 표면에 균일하게 분포해 전기 저항 감소에 성공했다. 이는 저가인 나트륨을 이용한 고용량 배터리 설계법으로, 전극 소재에 대한 해외 의존도를 낮출 수 있을 것으로 예상된다.

5-2. 신규 음극재 기술

'흑연(Graphite)'은 채굴 시 70~80%의 순도를 보유한 물질이다. 시장조사 업체 SNE Research에 의하면, 전 세계에 약 7100만 톤 중 77%가 중국에 매장되어 있는 것으로 파악되었다. 이로 인해, 중국이 전 세계 음극 시장의 65% 비중을 차지했고, 일본이 30% 차지하여, 음극 소재 원재료 확보가 시급하다.

'한국지질자원연구원(KIGAM: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources)'의 광물자원연구본부 자원활용연구센터 연구진은 '리튬 이온 전지(Lithium-ion Battery)' 음극 소재인 '흑연(Graphite)'을 유해 물질 없이 친환경적으로 정제하는 신규 공정을 개발하였다. 흑연은 불순물을 다량 포함해, '불산(Hydrofluoric Acid)' 등 유독 물질이 필요한 '습식제련법'이 사용되지만, 폐수 발생과 후처리 비용이 많이 든다는 문제가 있다. 반면 염소가스를 사용하는 '건식제련법'은 정제 시 2700℃의 온도를 요구해 에너지 문제 및 위험성이 존재한다. 해당 연구진은 '염산 침출', '킬레이트 침출', '저온 소다 배소 공정'을 이용한 '습식제련법'으로, '반응 시간', '온도', '시약의 양' 등을 조절하여 순도 99.99%의 고순도 흑연을 확보하여 친환경적이며 효율적인 기술을 개발하였다. 이 기술은 에너지 원료에 효과적 적용이 가능할 수 있을 것으로 판단된다.

5-3. 고체 전해질 개발

기존 '리튬 이온 전지(Lithium-ion Battery)'에 사용되는 '전해질(Electrolyte)'은 가연성 액체로 구성되어, 과열 및 과충전 시, 팽창을 인해 폭발 위험이 존재한다. 그래서 안정성 향상을 위해 '고체 전해질(Solid Electrolyte)'에 대한 연구가 진행 중이다. '고체 전해질(Solid Electrolyte)'은 분리막 역할이 가능해 별도의 '분리막(Separation Membrane)'이 필요없어, 배터리의 소형화와 형태 변형이 유연한 장점이 있다.

'한국생산기술연구원(KITECH: Korea Institute of Industrial Technology)'은 산화물계 '고체 전해질(Solid Electrolyte)'인 'LLZO(Li₇La₃Zr₂O₁₂)'를 이용해 고강도 복합 '고체 전해질(Solid Electrolyte)' 시트 제조에 성공했다. 연구진은 소재의 나노 입자화에 성공해, '안정성의 향상' 및 '생상 공정 단가 절감'이 가능한 차세대 '고체 전해질(Solid Electrolyte)'의 상용화에 기여했다.

'삼성종합기술원(Samsung Advanced Institute of Technology)'은 전지 음극에 5μm 두께의 '은-탄소 나노입자 복합층(Silver-Carbon Nanoparticle Composite Layer)'을 적용한 신규 '전고체 전지(All Solid-State Battery)' 기술을 통해 '전지 수명 증가'와 '음극 두께 조절'에 성공했다. 음극 두께가 얇아지면, 전지의 소형화가 가능하며, '에너지 밀도(Energy Density)'가 증가해 전지 시장의 신성장동력으로 작용할 것으로 예상된다.

6. '리튬 이온 전지' 관련 기업

해외 '리튬 이온 전지(LIB)' 시장은 '전기차(Electric Car)' 및 대용량 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'용 중대형 배터리 위주로 시장 수요가 급증하는 추세로, '한국', '중국', '일본', '미국'의 주요 배터리 업체가 주도 중이며, 전기차 탑재 주도권을 위한 경쟁이 과열되고 있는 상황이다.

아래의 표는 '리튬 이온 전지(LIB)' 주요 업체를 표로 정리한 것이다. 대기업 외 '리튬 이온 전지(LIB)' 완제품 시장에 참여하는 중소업체로는 '탑머티리얼(Top Material)'와 '이렌텍(Elentec)'이 있다. 해당 업체들도 꾸준한 자체적인 연구를 통해 '전기차' 및 '에너지 저장 장치(ESS)'용 중대형 배터리의 개발 및 상용화에 주력하고 있는 중으로 파악되었다.

기업명	국적	분야
CATL	중국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
파나소닉(Panasonic)	일본	완성(배터리 셀·모듈·팩)
테슬라(Tesla)	미국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
LG화학	한국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
삼성SDI	한국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
SK이노베이션	한국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
탑머티리얼(Top Material)	한국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
이랜텍(Elentec)	한국	완성(배터리 셀·모듈·팩)
한국유니코어	한국	부품/장비	양극
에코프로비엠	한국	부품/장비	양극
엘엔에프(EL&F)	한국	부품/장비	양극
대정화금	한국	부품/장비	양극
SK머티리얼즈	한국	부품/장비	음극
대주전자재료	한국	부품/장비	음극
피앤티(PNT)	한국	부품/장비	음극, 분리막
SK아이테크놀로지	한국	부품/장비	분리막
삼성물산	한국	부품/장비	전해질
솔브레인(Soulbrain)	한국	부품/장비	전해질

CATL: CATL은 '테슬라(Tesla)', 'Mercedez-Benz)', '아우디(Audi)', '볼보(Volvo)' 등에 전기차 배터리를 납품하고 있다. 2020년 기준 세계 배터리 시장 28%를 점유하고 있다.
파나소닉(Panasonic): '테슬라(Tesla)'에 원통형 배터리를 공급하며, 전기차용 2차전지 세계 시장 점유율 1위이다.
테슬라(Tesla): 배터리 업체 Maxwell 인수로 자체 기술 연구 및 대량 생산 시스템을 구축하였다.
LG화학: 'LG화학'은 업계 유일 화학 기반 업체이다. 세계 2번째로 '리튬 이온 전지(LIB)' 양산에 성공하였으며, 세계 최초로 '원통형 리튬 이온 전지' 양산에 성공하였다. 2020년 기준, 배터리 업체 중 유일하게 하이브리드 및 순수 전기차 배터리 생산이 가능한 업체이다. LG화학은 'Lamination & Stacking' 제조 기술을 적용한 고용량·초슬림 전지를 구현하였다.
삼성SDI: '삼성SDI'는 십수 년 이상의 '리튬 이온 전지' 양산 경험을 바탕으로, 업계 최고 수준 안정 장치를 내재한 모듈화가 용이한 '각형 배터리'를 생산하고 있다. 1회 충전 시 주행거리 620km의 SUV용 배터리 소재를 개발하였다.
SK이노베이션: 'SK이노베이션'은 업계 최초 고에너지 밀도 삼원계 소재 적용 '리튬 이온 전지' 양산에 성공하였다. 고품질 및 고강도 습식 '분리막(Separation Membrane)'을 적용하여 '안정성', '내열성', '수명'을 향산시켰다. '파우치(Pouch)' 셀 기술 기반 배터리 셀 설계·구현 기술을 가지고 있다.
탑머티리얼(Top Material): '탑전지'는 2021년에 '탑머티리얼'로 사명을 변경하였다. '탑머티리얼'은 2023년 기준 국내 유일 'LFP(리튬인산철산화물)' 배터리 생산 업체로, 100C 연속 방전 가능한 레이싱용 슈퍼 출력 배터리를 개발하였다. 배터리 모듈을 결합한 가정용 및 산업용 '무정전 전원장치(UPS: Uninterruptible Power Supply System)'와 '에너지 저장 장치(ESS)'용 시스템을 제공한다.
에코프로비엠(EcoProBM): '에코프로비엠(EcoProBM)'은 '에코프로(EcoPro)'의 2차전지 소재 사업 부문의 '물적 분할(Physical Division)'을 통해 설립되 2차전지의 '삼원계 소재'인 '니켈코발트 망간(NCM)'과 '니켈코발트알루미늄(NCA)' 양산 기술을 보유한 업체이다. '에코프로비엠(EcoProBM)'은 NCA에 있어 세계 2위의 업체로, '삼성SDI'에 NCA 양극 소재를 공급 중이다.
대주전자재료: '대주전자재료'는 2차전지 관련 특허 100건 이상을 보유한 전자재료 전문기업이다. 흑연 소재 음극재를 실리콘 산화물 기반 음극재로 대체하여 전기차용 파우치 셀에 성공적으로 적용했다. '대주전자재료'가 생산하는 실리콘계 음극재를 사용하면, 주행거리가 기존 2배 이상 증가하는 것으로 알려졌다.
피엔티(PNT): '피엔티(PNT)'는 '롤투롤(Roll to Roll)' 기술로 2차전지의 '음극(Anode)' 및 '분리막(Separation Membrane)' 소재 코팅에 필요한 장비 제조업체이다. '피엔티(PNT)'는 '필름', '동막' 등 얇은 소재를 회전롤에 감으며 물질 도포·압축·절단이 가능한 공정을 이용한 '2차전지 관련 장비(양극, 음극, 분리막)'를 생산하며, 40% 수준의 시장 점유율을 차지하고 있다. '피엔티(PNT)'는 장비의 국산화에 성공해 일본 장비 의존도를 낮추며, 국내 '전지(Battery)' 산업 경쟁력을 키울 수 있는 업체로 파악된다.
솔브레인(Soulbrain): '솔브레인'은 수분과 '불화수소(HF)' 함량을 낮춘 생산 공정을 통해 제조되어, 과충전 방지 및 수명이 향상된 전기차 배터리용 '전해액(Electrolyte)'을 생산한다. '솔브레인'의 전해액은 2020년 기준 30% 수준의 점유율을 차지하고 있다. 향후 '삼성 SDI(Samsung SDI)'와 'SK이노베이션(SK Innovation)' 등 기업에 제품을 공급하며 매출 증가가 기대된다.