초고용량 배터리

미래 창조 과학기술

초고용량 배터리

초고용량 배터리는 외부 전원으로 공급받은 전기를 충전하는 기술로, 혁신적인 소재 및 구조 등을 통해 기존 대비 부피당 저장 용량과 충전 시간, 안정성 등 성능이 상당히 개선된 배터리 기술이다,

 

1. 기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 19세기 중반 납축전지의 개발로 시작된 배터리 기술은 휴대전자기기의 급속한 보급과 함께 니켈수소전지에 의해 주도되다가 최근에는 리튬이온 전지)로 급속히 대체되고 있다. 리튬이온전지는 1991년 소니(Sony)에 의해 최초로 출시되어 당시 가전제 품 분야에 혁명을 일으키면서 MP3 플레이어, 디지털 카메라, 노트북, 스마 트폰, 태블릿 PC 등 소형화 고용량 전략을 요구하는 가전기기의 핵심 부품 으로 부각되었다. 이후 고용량 배터리는 IT제품,  자동차, 에너지 저장) 을 위한 용도로 세분화되어 기술이 발전하게 된다.

기술 개발 동향 전 세계적으로 모바일 IT, 자동차 산업 등의 기반이 되는 중소형 이차전지 시장 선점을 목표로 원가 절감 및 고신뢰성 확보를 위한 기술 개발이 진행 중이다. 또한 세계 주요국들은 ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 시스템) 설치 의무화와 보조금 지급을 통해 ESS의 보급 확대 정책을 추진하고 있다.  발 전 부문에서는 ESS를 이용하여 신재생에너지 보급으로 발생되는 전력 수급 변동성과 이로 인한 전력망의 불안정성을 해결하고, 수시로 변화하는 주파 수를 조정하여 전력망의 신뢰도를 향상시키는 연구가 진행 중이다. 우리나라에서도 고용량 배터리의 R&D 성과를 에너지신산업 및 ESS와 신재생에너지 융합모델 등 관련 실증·보급 사업에 적용하기 위한 기술로 연계·개발하고 있다.  특히 풍력발전 연계형 ESS와 태양광발전 연계형 ESS를 개발 중이며, 신재생에너지 공급인증서(REC) 가중치 확대 등 제도적 지원과 더불어 ESS의 보급 확대를 위한 연구도 병행하고 있다.

 

초고용량 배터리

2. 기술확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술확산점 전문가들을 대상으로 초고용량 배터리 기술의 기술확산점 도달 시기를 델파이 조사한 결과, 세계 기준으로는 미국에서 2022년에, 국내 기준으로는 2024년에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었다. 기술확산점 도달 시기 예측을 위한 기술확산점의 정의는 1회 충전으로 800km를 주행 할 수 있는 전기 자동차의 상용모델이 국내에 출시되는 시점으로 보았다. 초고용량 배터리의 활용처 중 파급효과가 가장 큰 것은 전기 자동차이 다. 따라서 서울-부산 왕복 기준인 800km를 한 번 충전으로 이동 가능한 전기 자동차의 출시 시점을 기술확산점으로 설정하였다. 기술확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 초고용량 배터리는 기술확산점 도달 이후 전기 자동차용 배터리, 가정· 상업용 ESS, 발전용 ESS의 단계로 발전해 갈 것으로 전망된다. 1회 충전 시 최대주행거리가 800km인 전기 자동차 상용모델이 처음으 로 국내시장에 출시되면서 기술확산점에 도달하면 점차 승용차를 포함하여 SUV, 버스, 화물차 등 경제성 있는 다양한 전기 자동차 모델이 출시될 것으 로 예상된다. 다음 단계로는 주택과 빌딩 등에서 비상 전원 또는 피크 전력에 대응하기 위 한 고용량 배터리 제품이 시장에 보급될 것으로 보인다. 이후 신재생에너지 발 전비중이 증가함에 따라 기존 전력망의 안정성(신재생발전의 간헐성 완화)을 보장하기 위하여 초고용량 배터리와 신재생에너지원 간의 결합이 상용화될 전망이다.

 

 

3. 미래사회 변화 전망 향후 세계 이차전지 시장은 대용량 ESS 등 중대형 이차전지가 주도할 것 으로 전망된다. 출처39 전체 이차전지 시장은 2015년 661억 달러에서 2020년1,031억 달러로 확대되며, 이 중 ESS 시장은 2015년 31억 달러에서 2020년 171억 달러로 5배 이상 성장할 것으로 보인다. 리튬이차전지 시장은 2015년 248억 달러에서 2020년 541억 달러로 성장할 것으로 예상된다. 한편 국내 ESS 시장은 2013년 827억 원에서 2020년에는 8,629억 원으로 10배 이상 확 대될 것으로 예측하고 있다. 초고용량 배터리가 기술확산점에 도달하면 가정에서 승용차 구매 시 전 기자동차와 하이브리드 자동차를 선택하는 것이 보편화될 것으로 예상된 다. 또한 신재생에너지를 이용한 발전이 가정마다 일반화되면서 초고용량 배터리를 이용하여 전력수급에 따라 이루어지는 전력거래가 비즈니스 모 델로 확산될 것으로 예상된다. 산업적 파급효과도 상당할 것으로 보인다. 전기자동차는 기존 내연기관 자동차에 비해 훨씬 적은 부품 수와 단순화된 시스템으로 작동되기 때문에 신생기업의 자동차 산업 진입이 활발해질 것이며, 신재생에너지 보급이 증 가함에 따라 관련 부품 산업들의 국산화가 가속되고 가격경쟁력이 높아질 것으로 예상된다.

 

 

4. 기술확산 실현을 위한 과제 초고용량 배터리가 사회적으로 확산되려면 정부는 무엇을 해야 할까? 전문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로는 기술 개발(32.2%), 인프라 구축(22.7%), 인력 양성(19.5%) 등의 순으로 나타났다. 우선 핵심 기술에 대한 개발이 이루어져야 한다. 중소형 배터리 분야에서 는 전극, 부품, 셀 제조기술에서 에너지 밀도 향상이 중요하며, 대용량 배터리 에서는 저가격화와 장수명이 가능한 기술 개발이 핵심이다. 더 나아가 배터 리 셀의 모듈화, 패키징, 인버팅,  폭발·화재 방지 기술이 동반되어야 한다. 초고용량 배터리 중심의 차세대 이차전지 분야를 조기 상용화하기 위해 서는 기술 실증과 양산공정 개발의 연계가 중요하다. 또한 신재생에너지와 ESS의 융합모델을 실증·보급하기 위한 인프라와 충전소, 전력 분배 및 판 매 등의 시설에 대한 인프라 구축이 필수적이다. 인력 양성 방안도 고민해야 한다.

 

배터리의 대표적인 응용 분야인 전기 자동차, 모바일 전자 기기, 가정용 ESS 등과 관련된 산업은 전후방 연관 산 업들이 많기 때문에 파생산업에 적합한 인력 양성이 중요하다. 또, 배터리 의 특성상 다양한 에너지원 및 다양한 산업과 융합하는 비즈니스 모델이 예 상되므로 융합형 인력 양성이 필요하다. 제품과 부품의 국산화를 통해 외국 기업의 국내시장 잠식 우려를 불식시키고, 유지·관리 측면에서도 효율적 으로 대응할 수 있도록 산학연 간 협력 강화 또한 반드시 필요하다. 배터리의 내구성과 안전성을 보증할 수 있는 품질관리시스템도 도입되 어야 한다. 신재생에너지와의 연계 시 신재생에너지 공급인증서 가중치 확 대 또한 장기적으로 보장되어야 한다. 이와 함께, 전기 자동차 보급 확대를 위한 보조금 제도를 강화할 필요가 있다. 또한 현재 전기 자동차 사용자들 에게 구입 보조금 및 전기료 혜택의 제도가 있지만, 짧은 운행거리 및 적은 수의 충전소로 인해 원활한 이용에 어려움이 있는 것이 사실이다. 따라서 제도적으로 일정 면적 이내에 일정 수 이상의 전기 차량이 있을 경우, 해당 지역은 의무적으로 충전소를 설치하는 방안이 필요하다.