2020년 글로벌 배터리 총 출하량은 221GWh로 집계되었으며, 이후 연평균 32% 성장하여 2030년에는 3,670GWh 규모까지 이를 것으로 전망되고 있다. 그 중 가장 큰 비중을 차지하는 전기차용은 배터리 출하량은 143GWh로 집계되었으며, 이후 연평균 36.7% 성장하여 2030년에는 3,257GWh 규모까지 이를 것으로 전망되고 있다.

세계 배터리 수요 중 전기차의 비중은 2020년 37%에서 2030년 약 89%까지 성장하며 향후 10년간 수요산업별 비중 변화가 예상되고 있다. 전기차용의 비중은 2020년 64.7%에서 2023년 80.1%까지 급증하며, 이후 증가세는 다소 완만해지며 2030년 88.7%까지 확대되어 배터리 전체 시장 성장을 압도적으로 주도할 것으로 예상된다.

배터리 용도별 출하량 전망 (단위: GWh, %)

자료 : SNE리서치

리튬이온전지를 뛰어넘는 고성능 배터리를 실현하기 위해 다양한 획기적인 전극 재료가 검토되고 있다. 실리콘, 실리콘 나노 와이어, 리튬 금속 등이 언급되는데, 모두 고용량이기 때문에 기존에 없던 고성능 배터리를 실현될 것으로 기대된다. 이러한 상황에서 주목받고 있는 것이 그래핀이다. 가벼움, 고열ㆍ전기 전도도, 고강도와 같은 뛰어난 특징을 가지고 있어, 전 세계의 기업 및 대학ㆍ연구기관이 배터리로의 응용 방법을 모색하고 있다.

그래핀은 다층 구조인 그라파이트(graphiteㆍ흑연)를 1층의 시트 형태로 만든 것으로서, 원자 1개 두께의 육각형 격자 구조를 가지고 있다. 가볍고 열전도도와 전기 전도도가 뛰어나다. 또한 탄소끼리의 결합력이 강해서 다이아몬드 이상의 인장 강도를 실현한다. 또한 투명하고 유연하다. 그밖에도 질소 등을 도핑함으로써 반도체 특성도 부여할 수 있다. 용도는 배터리, 액정 디스플레이, 반도체, 태양전지, 모터, 센서, 전도성 폴리머, 히트 싱크, 스포츠용품 등 다양하다.

그래핀 전지 기술은 리튬이온 전지와 유사하다. 2개의 고체 전극과 전해질 용액을 가지고 있어, 이온이 흐르게 된다. 하지만 일부 그래핀 전지는 고체 전해질을 가지고 있다. 기존 이차전지와의 가장 큰 차이점은 한쪽 또는 양쪽 전극의 구성 요소이다. 기존 전지에서는 캐소드(양극)가 모두 고체 재료로 만들어져 있다. 하지만 그래핀 전지에서는 양극이 그래핀과 고체 금속 재료로 이루어진 하이브리드 컨포넌트로 구성되어 있다.

시장의 성장은 전기자동차, 휴대용 전자기기에서의 그래핀 전지 사용, 그리고 기존형에서 벗어난 에너지 자원 채용의 급증을 통해 이루어진다. 자동차 분야는 환경 문제로 인한 전기자동차 수요 증가로 인해 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상된다.

그래핀이 발견된 것은 2002년이다. 2010년에는 맨체스터 대학의 안드레 가임 박사 및 콘스탄틴 보노셀로프 박사가 노벨 물리학상을 수상했다. 매우 획기적인 재료이기 때문에 대학 및 연구기관이 잇달아 배터리로의 응용을 시험했다. 하지만 일부 벤처기업 등을 제외하고 실용화가 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다. 그 가장 큰 요인은 고순도 그래핀을 제조하기 어렵다는 점과 제조비용이 비싸다는 등의 제조 관점의 문제들이다.

또한, 주목받고 있는 전고체전지는 과도한 발열 및 발화의 위험이 적고, 기존의 리튬이온전지보다 성능이 좋아 탑재량이 적어도 충분한 항속거리를 확보할 수 있다. 전해액은 전지 내에서 이동하며, 전지의 부착 방식에 따라 전해질과 전극의 접촉이 충분하지 않을 수 있지만, 고체는 언제나 전극과 균일하게 접하여 효율적으로 충방전할 수 있다. 주로 의료기기나 무선센서에서 사용되던 전고체배터리의 수요가 전기자동차나 에너지하베스팅 분야에서도 증가하면서 시장 가치는 계속해서 높아질 것으로 예측되고 있다.

전고체전지의 기술 경쟁에서는 일본이 앞서고 있다. 일본 자동차 업계에서는 토요타 자동차 및 닛산 자동차가 2020년대에 실용화할 것이라고 발표했다. 이에 폭스바겐 등 독일의 완성차 업체들의 세력이 경쟁하고 있다. 다른 업계에서도 자사의 기반 기술을 응용하는 전지 개발이 속도를 더하고 있으며, 전지의 성능을 결정하는 소재 분야 등에서도 일본 세력의 움직임이 눈에 띈다. 현행 리튬이온 전지에서는 중국과 한국 세력이 높은 점유율을 차지하고 있지만, 일본 세력이 차세대 전지에서 이에 반격할 수 있을지 주목하게 된다.

일본이 보유한 전고체전지 관련 해외 특허는 2020년 3월 19일 기준 2,231개로 한국 내특허 및 실용실안(956개) 대비 2배 이상이며, 한국 내 특허 상당수를 토요타자동차(주)가 보유하고 있음을 고려할 때 국내 기술개발 속도는 일본에 뒤처져 있는 것으로 평가되고 있다.

한편 2020년 이후, 나노그래프(미국 일리노이주), 나노테크에너지(미국 캘리포니아주), 리얼그래핀(미국 캘리포니아주), 아피아(미국 캘리포니아주), 야데아(중국 장쑤성)와 같은 美ㆍ中 벤처기업이 잇달아 독자적인 그래핀 배터리를 개발하고 있다. 모두 제조 프로세스의 자세한 내용을 밝히지는 않고 있지만, 앞서 언급한 과제들에 잘 대처하고 있는 것 같다.

예를 들어, 나노테크에너지는 2020년에 함유율이 95%인 단층 그래핀의 제조 프로세스를 확립하고, 50%라는 기존의 벽을 뛰어넘는 데 성공했다. 2021년에는 이를 98%로 끌어올렸다. 또한 제조비용은 일반적인 리튬이온전지의 제조 프로세스와 비슷하다.

차량용 배터리는 니켈, 리튬, 코발트, 망간 등의 금속류와 전해질로 구성돼 있다. 매립하면, 심각한 환경오염을 초래한다, 2030년경부터는 대량의 배터리가 폐기될 예정이라서, 자동차 회사마다 배터리 재활용에 의한 지속 가능한 제조 사이클을 구축하는 것이 급선무이다. 업계에서는 2030년까지 연간 50만 대의 차량, 또는 200만 톤의 배터리의 수명이 다할 것이라고 예측하고 있다.

폐배터리 이용 방식은 크게 재사용과 재활용으로 나뉜다. 검수를 거쳐 농업용 초소형 전기차의 배터리로 쓰거나 전기 자전거, 캠핑용 충전기 등 소형 기기에 다시 사용할 수 있다. 재사용함으로써 배터리의 수명도 증가하게 되고, 한 곳에 고정된 배터리를 다른 장소로 이동 시켜 재사용할 수도 있어, 배터리 생산으로 인한 악영향을 전체적으로 줄일 수 있다.

유럽위원회는 2020년 12월 10일에 배터리에 관한 규제를 대규모로 개정하는 규칙안을 발표했다. ‘유럽 그린 딜’에서 2050년까지의 기후 중립(실질적인 온실가스 배출 제로)을 내건 유럽위원회의 ‘순환형 경제 행동 계획’의 첫 번째 시책이다. 유럽위원회는 ‘지속 가능한 스마트 모빌리티 전략’의 전기자동차(EV) 추진을 위해 ‘유럽 배터리 동맹’을 설립하는 등 배터리의 개발과 생산을 생산 전략상의 중요한 정책으로 삼아 관민이 함께 실천하고 있다.

Li-Cycle에 따르면, 전 세계 리튬이온전지의 폐기량은 2020년까지 누적 170만 톤에 달할 것이라고 추정한다. 또한 2030년에는 1500만 톤으로 팽창할 것으로 예측한다. 한편, 글로벌 통계/빅데이터 업체인 ‘Statista’에 따르면, 리튬이온전지의 재활용 시장은 2019년에 15억 달러(1조 7천억 원)였지만, 2030년이면 180억 달러(20조 4천억 원)로 확대될 것으로 예상된다.

배터리를 직접 생산하고 남품 받는 완성차 및 배터리 업체도 잇따라 폐배터리 시장에 진출하고 있다. 원재료 가격의 변화에 영향을 받지 않고 리튬이나 코발트, 니켈 등을 자주적으로 조달할 수 있는 데다 시장 규모도 급격하게 성장하고 있기 때문이다.

업계에 따르면, 현대ㆍ기아차, 테슬라, 폭스바겐 등 세계적인 완성차 업체와 LG에너지 솔루션, SK이노베이션 등의 배터리 회사가 배터리 재활용ㆍ재사용 기술을 확보하는 데 사활을 걸고 협력하고 있다고 한다.

LG에너지솔루션은 미국 GM과 함께 설립한 합병회사 ‘얼티움셀즈’를 통해 배터리 재활용 회사 ‘Li사이클’ 및 배터리 재활용 사업을 실시하고 있다. 현대자동차는 글로벌 안전 인증 기업 ‘UL’ 및 재사용 배터리를 기반으로 하는 에너지 저장장치(ESS)를 개발하고 있다. 기아차는 SK이노베이션과 함께 배터리 재활용 기술을 확보, 순환 경제를 구축하려 하고 있다.

본고는 IRS글로벌이 최근 발표한 [2022 차세대 전지[(전고체)이차전지ㆍ연료전지ㆍ태양전지]의 혁신기술 및 사업화 동향과 시장 전망] 보고서의 주요내용을 요약, 정리한 것이다.