지금까지 2차전지 산업은 기술의 발전과 참여 기업간 경쟁 격화, 새로운 니즈의 발생과 기존 기술 발전의 한계 노출이라는 과정을 반복적으로 겪으면서 진화해 왔다.
휴대용 전자기기와 전기차의 핵심부품으로 자리잡은 리튬이온전지도 시장에 등장한지 20여 년이 지나면서 변화의 조짐이 나타나고 있다. 중국을 중심으로 한 전지 기업간의 경쟁이 격화되고 있고, 리튬이온전지의 성능 향상의 기술적 한계도 예상된다. 특히 액체 또는 겔타입 전해질을 쓰는 리튬이온전지는 발화 및 폭발의 위험성, 낮은 내충격성 등 안전성에 대한 태생적인 한계를 가지고 있다.
다양한 기업들이 전고체전지, 리튬-황 전지, 나트륨/마그네슘 이온 전지, 리튬-공기 전지 등 차세대 2차전지 후보 기술들을 개발하고 있다. 최근에는 이 중에서도 전고체전지가 차세대 전지의 유력 후보로서 압축되고 있는 모습이다.
전고체전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하는 것으로 기존 리튬이온전지의 액체 전해질이 가지고 있는 발화, 폭발 등의 위험성이 낮다. 외부 충격에 의해 기기가 파손되더라도 전해질의 누액이나 폭발의 위험성을 획기적으로 줄일 수 있고 고온이나 고전압의 사용 환경에서도 전지의 성능 저하를 막을 수 있다.
특허 출원 건수도 전고체전지 관련 출원이 다른 차세대 전지 후보 기술들 보다 압도적으로 많다. 전고체전지의 특허 출원 건수는 두 번째로 많은 리튬-공기 전지 보다 3배 가까이 높은 수치를 보이고 있다. 자동차 기업으로 차세대 전지 개발에 적극적인 도요타의 경우 차세대 전지 출원 중 70% 정도가 전고체전지에 집중되어 있다.
전고체전지로 압축되고 있는 모습은 혁신 진화의 동적 모델을 통해서도 알 수 있다. 전고체 전지의 경우 개발의 초점이 제품자체의 혁신 보다 이미 공정혁신에 맞춰져 진행되고 있다.
기업간 전고체전지의 개발 경쟁도 격화되고 있다. 전고체전지 개발에 적극적인 기업들은 3가지 유형으로 나타나고 있다.
▲다이슨, 도요타 등 자사 제품의 경쟁력을 강화하기 위해 차세대 전지의 내재화를 추진하고 있는 기업, ▲전고체전지를 기반으로 초소형 전자기기, 산업용 로봇 등 특정 어플리케이션 중심의 시장을 목표로 사업을 확장하려는 기업, ▲CATL, 소니의 전지 사업을 인수한 무라타 등과 같이 전지 산업의 시장 지위를 강화하거나 회복하기 위해 전고체전지를 개발하려는 기존 전지 기업들이다.
전고체전지의 소재와 제조 공정은 기존 전지 사업에서 축적된 경험과 역량의 진부화를 가속시킬 가능성이 있다. 전고체전지의 시장 진입은 2차전지 산업의 불연속적인 변화를 촉진시킬 것으로 예상된다.
차세대 전지 기술이 전체 프로세스에 대한 완결적인 이해와 일정 기간 동안의 축적된 경험과 노하우가 중요한 아날로그 특성을 가지고 있다는 점을 고려했을 때, 개발 타이밍을 놓친 기업은 단기간에 회복할 수 없는 상당히 큰 타격을 입을 가능성이 있다.
불확실한 미래 준비 차원에서 접근했던 차세대 전지 개발이 시장 선도 및 차별화 우위를 위한 필수 기술로서 자리매김 할 가능성이 높다. 현재 리튬이온전지 시장에서 경쟁 우위를 점하고 있는 국내 기업들도 경쟁 구도 다변화에 대한 적극적인 대응이 필요한 시점이다.

2차전지의 진화 다이나믹스

우리 일상에서 에너지를 저장하고 사용하는 일은 이제 생활의 일부분처럼 자연스럽게 느껴진다. 이는 지난 120여 년 동안 납축전지로부터 시작해서 니켈계전지를 거쳐서 리튬이온전지로 진화 발전해 온 2차전지 덕분에 가능했던 일이다. 2차전지는 과거 자동차에 비상전원을 공급하는 보조적인 역할에서 지금은 휴대용 전자기기와 전기차의 핵심부품으로 자리잡았다.
2차전지 산업의 진화 과정을 살펴보면 ①신규 수요의 등장, ②새로운 전지 기술의 채용, ③참여 기업 확대에 따른 경쟁 격화, ④빠른 기술 발전으로 인한 기술적 한계 노출의 순으로 유사한 과정을 밟아온 것을 알 수 있다. 

자동차의 역사와 함께한 납축전지

1900년대 자동차와 함께 납축전지도 시장에 등장했다. 기본적으로 주행 중의 에너지 공급은 자동차의 발전기로 가능했지만, 자동차 엔진의 시동을 걸어주고, 엔진이 꺼졌을 때 조명용 비상 전원 공급을 위해서는 추가적인 전력원이 필요했다. 이러한 역할을 납축전지가 담당했다. 구조가 간단하고, 다루기 쉬우며, 대량 생산이 용이한 장점으로 납축전지는 자동차의 보급 확산과 함께 점차 시장을 넓혀 갔다.
자동차 시장이 커지면서 많은 기업들이 납축전지 생산에 나섰고, 기업들 간의 기술 개발 경쟁 또한 치열해졌다. 차량의 한정된 공간 속에서 높은 출력을 얻을 수 있고, 자동차 부품으로서의 신뢰성을 높이려는 기술 개발이 이루어졌고 이에 따라 극판 소재 개발, 박막화 등의 진전이 있었다. 하지만, 납축전지는 반응 원리상 활성 물질의 변경이 어려워 부피나 수명 측면에서 큰 진보는 이루지 못했다. 또한, 원재료비 변화에 따른 실적 변동성 리스크가 존재해 영세 기업들은 사업을 영위하기 점차 힘들어 졌고, 상위 기업 중심으로 인수, 합병이 진행되며 납축전지 산업의 구조 개편이 이뤄졌다.
납축전지는 큰 부피와 짧은 수명이라는 태생적 한계를 극복하지 못했지만 자동차와 산업기기 등의 구동에 필요한 보조적인 역할을 수행하며 수요 시장의 성장과 함께 2차전지 산업 성장을 이끌어왔다.

휴대용 전자기기의 등장과 함께한 니켈계전지

1948년에 발명된 니켈카드뮴전지는 전자기기에 이동성을 부여했다. 납축전지는 큰 부피와 짧은 수명으로 인해 제한적인 영역에서만 활용되었지만 작고 가벼운 니켈카드뮴전지는 휴대용 면도기, 무선 전화기, 전동 공구 등에서 유선 기기 대비 성능의 차이를 최소화 하면서 이동성을 부여하는데 성공했다.
프랑스의 사프트(Saft), 독일의 바르타(Varta) 외에 일본의 산요(Sanyo) 등의 적극적인 전지 개발에 힘입어, 40여 년간 니켈카드뮴전지는 2차전지 시장의 주력 솔루션으로 수요 시장의 새로운 영역을 창조하는데 주도적인 역할을 수행했다. 하지만, 니켈카드뮴전지는 완전히 방전시키지 않고 충전을 하면 전지 성능이 저하되는 단점과 인체에 유해한 카드뮴을 사용한다는 문제를 지니고 있었다.
일본의 도시바(Toshiba)와 파나소닉(Panasonic)은 1990년 니켈카드뮴전지의 단점을 보완한 니켈수소전지를 개발하는 데 성공했다. 니켈수소전지는 니켈카드뮴전지보다 약 2배에 달하는 에너지 용량과 안전성을 바탕으로 휴대전화, 노트북 등 새로 등장한 전자기기에 채용되기 시작했다. 하지만, 1990년대 중후반 이후 에너지밀도의 향상이 더 이상 큰 폭으로 개선되지 않아 폭발적인 채용 증가가 이루어지지는 못했다.

더 가볍고, 더 작고, 더 오래 사용 가능한 리튬이온전지

휴대용 전자기기 사용자들은 기기를 편리하게, 잦은 충전없이 오래 쓰기를 원한다. 하지만 시장에서 널리 사용되는 니켈계전지로는 한 번 충전해서 사용할 수 있는 시간과 수명이 짧아 소비자들이 휴대용 전자기기를 사용하는 데 불편함이 많았다.
시장에서 요구되는 수준의 휴대용 전자기기를 만들어내기 위해서는 새로운 성능의 2차전지가 필요했고, 유럽, 미국, 일본 등 전세계적으로 고성능 전지 개발을 위한 경쟁이 가속되었다. 1991년 소니(Sony)가 기존 전지보다 수명이 길고, 더 오래 사용할 수 있는 리튬이온전지를 개발하면서 개발 경쟁이 마무리 되었고, 자연스럽게 2차전지의 세대교체가 시작되었다.
리튬이온전지는 간헐적이고 반복적인 충전에도 성능의 감소 없이 사용할 수 있고, 셀 당 전압이 니켈계전지에 비해 3배 이상 크다. 3개의 니켈계전지를 하나의 리튬이온전지로 대체할 수 있었기 때문에 휴대용 전자기기의 필수품으로 자리잡았다. 당시 최대 수요 시장 중 하나였던 노트북의 경우, 1990년대 중후반 하이엔드 기종을 시작으로 리튬이온전지로의 대체가 진행되었고, 2000년대 중후반에는 전 기종에서 리튬이온전지로의 대체가 이뤄졌다.

차세대 전지의 개발 필요성 증대

휴대용 전자기기와 전기차의 핵심부품으로 자리잡은 리튬이온전지도 시장에 등장한지 20여 년이 지나면서 2차전지 산업에 변화의 조짐이 보이고 있다. 중국을 중심으로 전지 기업간 경쟁이 격화되고 있고, 머지않아 리튬이온전지의 기술적 한계도 예상된다. 또한, 리튬이온전지로는 새롭게 형성되는 시장 니즈를 충족하기 어려울 것으로 예상돼 차세대 전지에 대한 개발 필요성이 커지고 있다.

전지 기업간 경쟁 격화

2000년대 소니, 산요, 파나소닉 등 기술적 우위를 지닌 일본 기업이 시장을 주도했다면, 모바일 IT 시장이 급성장한 2000년대 후반에 들어서는 대량의 수요 기반을 지닌 한국 기업 중심으로 경쟁의 축이 옮겨갔고, 2010년대 중반 이후에는 중국 세트 기업의 성장과 더불어 중국 전지 기업들 중심으로 시장이 재편 되고 있다.
리튬이온전지 시장 중 가장 큰 규모를 차지하는 모바일용 시장에서 중국 기업의 독주가 이미 시작되었다. 각형 전지 시장의 경우 비야디(BYD), 리센(Lishen)이, 폴리머 전지 시장의 경우 ATL1이 매출 규모에서 이미 한국 및 일본 전지 기업을 추월했고, 그 격차를 조금씩 확대하고 있는 상황이다. 향후 최대 수요 시장으로 주목 받는 전기차용 전지 시장의 경우에도 중국이 최대 수요 국가로 부상하고 있으며, 정부 주도의 전지 기업 육성까지 이뤄지고 있어 한국 기업들이 선발 기업으로 누리던 프리미엄이 빠르게 사라지고 있는 상황이다.
특히, 중국 정부 주도의 전지 기업 육성으로 업체간 성능 및 품질 대응력이 빠르게 상향 평준화되고 있다. 중국 정부는 자동차 배터리 규범조건 중 연간 생산능력을 8GWh 이상으로 규정하면서 자국 기업을 글로벌 경쟁력을 갖춘 기업으로 육성하겠다는 의지를 확실히 하고 있다. 중국화학물리전원산업협회의 류엔롱 사무총장은 2016년 11월 중국 배터리 시장구조의 시급한 재조정 필요성을 언급하면서 경쟁력이 떨어지는 소규모 기업은 합병과 구조조정을 거치게 하겠다는 입장이다. 앞으로 한국 및 일본 전지 기업이 글로벌 경쟁력을 갖춘 중국 전지 기업의 거센 공세에 직면하게 되는 것은 시간 문제로 보인다.

리튬이온전지, 기술적 한계 도달 임박

리튬이온전지의 빠른 발전으로 용량이나 안전성 개선의 한계가 명확해 지고 있다. 최근 전지 개발은 에너지밀도 향상 및 원가 절감에 집중되어 왔다. 도이치뱅크(Deutsche Bank)에 따르면 최근 5년 간 전기차용 전지의 경우 경쟁 격화로 인해 용량은 약 50% 증가한 반면, 원가는 30% 이상 하락하였다.
전지 개발 경쟁이 계속되는 상황이지만 현재 기술 기반으로는 성능 차별화를 확보하기가 점점 어려워질 것으로 보인다. 폭스바겐(Volkswagen), 닛산(Nissan) 등 주요 자동차 기업과 보쉬(Bosch) 등 주요 자동차부품 기업들은 향후 5~7년 안에 리튬이온전지의 용량이 한계에 도달할 것으로 예측하고 있다2(차트 2).[3] 이러한 기술 개선의 한계로 전기차 시장의 주도권을 잡기 위한 전지 기업들 간 경쟁은 가격 경쟁 중심으로 펼쳐질 가능성이 높은 상황이다.
리튬이온전지가 지닌 안전성 문제도 아직 완벽하게 해결되지 못하고 있다. 액체 또는 겔타입 전해질을 쓰는 리튬이온전지는 특성상 발화 및 폭발의 위험성, 낮은 내충격성 등 안전성에 대한 태생적인 한계를 가지고 있다. 소니가 과충전, 과전압, 과전류 방지를 위한 보호회로를 개발한 이후 현재까지 보호회로 적용을 통해 안전성을 확보하고 있다. 하지만, 단위 전지 셀 자체의 안전성이 해결되지 않는 이상 추가적인 기구물과 비용이 들어갈 수밖에 없는 상황이다. 이처럼 리튬이온전지에서 안전성은 원가경쟁력과 밀접하게 연결되어 있다. 계속 이어지는 원가 경쟁의 압박 속에서 전지 기업들이 안전성이라는 잠재적 불안 요소를 어떻게든 해결해야 하기 때문이다.

새로운 수요에 대응하지 못하는 전지 개발의 Mismatch

모바일 시장에서는 기존 제품에 대한 수요가 위축되는 가운데 새로운 어플리케이션에 대한 갈증이 커지고 있는 상황이다. 향후 모바일 기기에서 지각 변동을 일으킬 요소 중 하나로 폼팩터의 변신을 꼽고 있다. 이러한 변화는 뛰어난 기능 못지않게 생각지 못한 디자인에 의해 촉발될 가능성이 높다. 슬림하면서도 휘어질 수 있고, 한정된 공간에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 전지의 개발은 새로운 시장 확산을 위한 촉매제가 될 전망이다. 시장조사기관 가트너(Gartner)도 이러한 변화가 리튬이온전지가 아닌 새로운 구조나 소재가 적용된 차세대 전지의 등장에 의해 가능해질 것으로 예상하고 있다.[4]
자동차 시장에서는 현재 리튬이온전지 기반으로 500km 이상의 주행거리는 가능할 것으로 전망되나, 전기차 보급이 확대될수록3 차량 시스템의 성능 및 안전성 개선을 위해 자동차 기업의 새로운 전지 개발 필요성은 커질 것이다. 자동차 기업들은 차량 시스템을 더욱 간소하게 구성하고, 안전성 문제로 제한을 두었던 전압, 전류, 온도 등의 사용 제한 폭을 완화하기 위해서 단위 전지 셀 단위에서의 안전성 확보가 필요하다는 입장이다. 시장조사기관 럭스 리서치(Lux Research)는 2023~2025년 사이에 럭셔리 자동차 기업 중심으로 하이엔드 모델부터 차세대 전지를 채용할 것으로 전망하고 있다.[5]
IoT, MEMS4 등 초소형 전자기기의 등장과 더불어 이를 구동하기 위한 에너지원의 개발 니즈도 확대되고 있다. 마이크로/나노 공정기술의 급속한 발전으로 미세 소자 및 기계부품에 대한 기술의 첨단화가 가속되고 있으나, 이러한 소자구동을 위한 에너지원의 개발은 더딘 상황이다. 소자의 크기가 작아진 것만큼 경박단소화된 전지를 필요로 하고 있다. 시장조사기관 IDTechEx에 따르면 요구되는 기능 측면에서도 오래 사용할 수 있고, 빠르게 충방전이 가능하며, 더 나아가 버려지는 에너지를 수집해 재활용할 수 있는 에너지 하베스팅 기술과도 결합이 가능한 에너지원을 요구하고 있다.

차세대 전지의 유력 후보 및 개발 동향

기존 리튬이온전지의 성능은 양/음극재의 소재 또는 조성 변경을 통해 상당히 많이 개선되어 왔으나, 점점 성능 개선 폭과 속도가 둔화되고 있다. 또한 지속적인 성능 개선에도 불구하고 리튬이온전지의 안전성 이슈는 여전히 완벽하게는 해결되지 않은 불안요인으로 남아있다.
리튬이온전지가 지니고 있는 안전성과 같은 내재적 불안 요소 및 성능 한계를 극복하는 동시에 소비자 또는 수요 기업의 니즈에 부합하는 방향에 맞춰서, 많은 기업들이 다양한 차세대 전지를 개발하고 있다.

여러 대안의 차세대 전지 개발 경쟁

리튬-황 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨/마그네슘 이온 전지, 전고체전지 등 현재 2차전지의 주류 기술이라 할 수 있는 리튬이온전지의 뒤를 이을 다양한 후보 기술들이 기업, 대학, 연구소 등에 의해 개발되고 있다. 차세대 전지도 리튬이온전지와 마찬가지로 양극재, 전해질 그리고 음극재의 세 가지 요소로 구성되어 있으며, 각 구성 요소의 다양한 조합에 따라 전지의 효용이 달라지게 된다. 리튬-황 전지와 리튬-공기 전지는 2차전지의 기본 특성인 반복적인 충방전을 가능케 하는 매개체가 리튬 이온인 반면에, 나트륨/마그네슘 이온 전지는 리튬 대신 나트륨/마그네슘 이온이 양극재와 음극재 사이의 전해질을 따라 움직이면서 전기를 저장 또는 사용한다. 전고체전지는 양극재와 음극재 사이에 고체 상태의 전해질을 사용하며, 현재의 리튬이온전지와 차세대 전지의 다른 대안에 모두 적용할 수 있는 기반 기술 성격이 강하다.
리튬-황 전지는 양극재와 음극재를 각각 황과 리튬을 사용해서 리튬이온전지 대비 3배 이상의 높은 에너지밀도를 구현할 수 있으며 저가인 황을 사용하기 때문에 전지의 제조원가를 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다.
리튬-공기 전지는 양극재로 공기(산소), 음극재로 리튬을 이용하는 2차전지로서, 구조가 단순하며 이론적으로 리튬이온전지의 5~10배 정도의 에너지밀도를 구현할 수 있다. 따라서, 저장할 수 있는 에너지 용량을 대폭 늘릴 수 있는 동시에 리튬이온전지 보다 싸고 가볍게 만들 수 있다는 잠재력을 가지고 있다.
나트륨/마그네슘 이온 전지는 리튬 대신 나트륨이나 마그네슘을 음극재로 사용함으로써, 전지의 안전성을 확보하면서 값싼 원재료를 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 나트륨/마그네슘 이온 전지는 가격변동성과 공급안정성에 취약한 리튬이온전지의 약점을 해결할 수 있다. 다만 기존 리튬이 아닌 새로운 금속이온을 활용하는 전지이기 때문에, 안전성과 성능의 신뢰성이 충분히 쌓이지 않은 상태다. 발생가능한 위험요인을 예측하기가 매우 어렵다는 문제가 있다.
전고체전지는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 것으로 기존 리튬이온전지의 액체 전해질이 가지고 있는 발화, 폭발 등의 위험성을 상당히 낮출 수 있는 장점이 있다. 개발 중인 고체 전해질은 소재에 따라 세라믹(황화물계/산화물계), 고분자, 세라믹과 고분자의 복합재로 나뉘어 진다. 전고체전지는 외부 충격에 의해 기기가 파손되더라도 전해질의 누액이나 폭발의 위험성을 획기적으로 줄일 수 있고 고온이나 고전압의 사용 환경에서도 전지의 성능 저하를 막을 수 있다. 또한 기존 리튬이온전지 보다 고용량과 경량화에 유리한 측면이 있어서 전자제품을 비롯해 전기차에도 채용될 가능성이 높다.

전고체전지가 차세대 전지의 유력 후보로 압축

차세대 전지의 여러 후보들 중에서, 전고체전지는 지난 10여 년 간 기술 개발 속도가 비교적 빠르게 진행되어 온 데다 리튬이온전지의 고질적인 불안 요소인 안전성을 해결해 줄 수 있다는 기대감까지 더해져 가장 현실적인 대안으로 인식되고 있다.[7] 즉, 전고체전지가 안전성, 고용량, 디자인 자유도 등 수요 측면의 다양한 니즈를 충족시킬 수 있는 차세대 전지의 유력 후보로서 압축되고 있는 모습이다. 이러한 양상은 지난 10여 년 간의 특허 출원 및 등록 현황에서도 잘 나타난다. 일본 NEDO에서 분석한 2002~2011년 동안의 차세대 전지 관련 특허 출원 건수를 살펴보면, 전고체전지, 리튬-공기 전지, 리튬-황 전지, 나트륨/마그네슘 이온 전지 순으로 높게 나타났다.
이 기간 동안 전고체전지의 특허 출원 건수는 3,309건으로 두 번째로 많은 리튬-공기 전지의 1,251건 보다도 3배 가까이 높은 수치를 보이고 있다. 전고체전지의 특허 출원 국가 중에서 일본이 60%를 차지할 정도로 가장 적극적인 모습을 보이고 있다. 이는 차세대 전지에 대한 주도권을 확보하는 동시에 현재 리튬이온전지 시장에서 우위를 점하고 있는 한국, 중국 등을 견제하기 위함으로 보인다. 자동차 기업임에도 불구하고 차세대 전지 개발에 적극적인 모습을 보이고 있는 도요타도 최근 차세대 전지 중에서 전고체전지 개발에 집중적으로 자원을 투입하고 있는 모양새다. 2012~2014년 도요타의 차세대 전지 관련 특허5 중에서 전고체전지의 비중이 증가하고 있다. 또한, 2014년에 전고체전지 관련 특허가 차세대 전지 분야 중에서 약 70%를 차지할 정도로 다른 차세대 전지에 비해 월등히 높다.
전고체전지로 압축되고 있는 모습은 혁신의 진화 과정에서 일반적으로 활용되는 동적 모델을 통해서도 알 수 있다. 혁신의 동적 모델은 다양한 기술 또는 제품의 경쟁 속에서 주류 기술이 등장하고 발전하는 과정을 설명해준다.[8] 주류 기술의 등장 초기에는 제품 혁신(Product Innovation)의 비중이 높다가 어느 순간 사실 상의 표준(de facto standards)이 결정되면 제품 혁신의 비중은 감소하고 제조 효율화에 초점을 맞춘 공정 혁신(Process Innovation)의 비중이 증가하게 된다. 다른 차세대 전지와 달리 전고체전지는 제품 혁신 자체(필요 특성을 충족시킬 수 있는 고체전해질 후보 소재의 개발) 보다 이를 양산하기 위한 공정 혁신(고체전해질의 특성을 극대화할 수 있는 제조 공정)에 초점을 맞춰 개발이 진행되고 있는 것으로 보인다. 전고체전지의 양산 시점을 앞당기기 위해 분말의 압축 성형, 롤투롤(Roll-to-roll) 코팅, 반도체 박막 등의 다양한 제조 공정 방식이 시도되고 있다.

개발 기업들 외부자원 활용에 적극적

기업들은 다양한 외부 자원 활용 방식을 통해 전고체전지의 개발을 촉진하고 있다. 외부 자원 활용의 적극성 정도에 따라 협업 또는 공동개발, 벤처 투자, 그리고 기업 인수 등으로 나뉘어진다. 현재 리튬이온전지 사업에 직간접적으로 관여되어 있는 기업들은 대학 또는 연구소와의 공동 개발을 선호하는 편이다. 도요타는 동경공업대 등과 함께 황화물계 전고체전지를 개발하고 있으며, 2016년 초에 기존 프로토타입 보다 2배 이상 높은 전고체전지를 발표했다. 중국 전지 기업인 CATL6도 2023년 양산을 목표로 2015년부터 중국과학원과 황화물계 전고체전지를 개발 중에 있다.
반면에, 신규 사업의 가능성을 타진하고 있는 기업들은 벤처 투자, 기업 인수 등 보다 적극적인 방법을 선택하고 있다. 반도체 장비 기업인 어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials)나 자동차 기업인 폭스바겐, 상하이자동차 등은 인피니트 파워 솔루션즈(Infinite Power Solutions), 솔리드에너지(SolidEnergy), 퀀텀스케이프(Quantumscape) 등과 같은 북미 벤처 기업에 지분 투자를 하고 있다. 기업 인수를 통해 적극적인 행보를 보이는 기업들도 있다. 진공청소기, 선풍기 등 소형가전으로 유명한 다이슨(Dyson)과 자동차부품 및 전동 공구의 선도기업인 보쉬는 2015년에 각각 전고체전지 벤처기업인 사크티3(Sakti3)와 시오(Seeo)를 인수했다. 일본 세라믹 부품 기업인 무라타(Murata)는 2016년 소니의 전지 사업을 인수함으로써, 무라타의 세라믹 소재 및 제조 기술을 전지 사업에 접목시키려는 시도를 하고 있다.

기업들의 다양한 차세대 전지 개발 전략

전고체전지 개발에 적극적인 기업들은 3가지 유형으로 분류할 수 있다(차트 7). 첫째, 주력 제품의 경쟁력을 강화하기 위해 차세대 전지의 내재화, 즉 가치사슬의 통합을 추진하려는 기업들이다. 전자기기 기업, 자동차 기업들이 대표적이다. 예를 들어, 대표적인 하이엔드 소형가전 기업으로서 차세대 전지 개발에 적극적인 다이슨은 전고체전지를 자사 제품에 채용하게 되면 제품의 세련된 디자인, 안전성, 장시간 사용성 등을 고객들에게 소구(訴求)할 수 있게 될 것이다. 도요타의 경우, 하이브리드 자동차와 연료전지 자동차에 집중하고 순수 전기차에 대해서는 소극적이었으나, 최근 전략 수정 움직임을 보이고 있다. 도요타는 순수 전기차 시장에 상대적으로 뒤늦게 진입하지만, 전고체전지에 대한 기술적 리더십을 굳혀갈 경우 안전하고 장시간 주행할 수 있는 전기차의 차별화된 가치를 고객들에게 제공해 줄 수 있을 것이다.
둘째, 전고체전지를 기반으로 초소형 전자기기, 산업용 로봇 등 특정 어플리케이션 중심의 틈새 시장을 목표로 사업을 확장하려는 기업들이다. 전고체전지는 전지 구성요소의 다양한 조합과 리튬이온전지와 상이한 제조 공정을 통해 안전성, 슬림한 디자인, 고용량, 장수명 등 고객들의 다변화된 니즈를 충족시킬 수 있을 것으로 예상된다. 반도체 공정 장비 기업인 어플라이드 머티리얼즈는 반도체 제조 공정 기반의 전고체전지 개발에 관심을 가지고 있다. 기존 리튬이온전지가 IoT, MEMS 등과 같은 초소형 전자기기의 전력원으로 사용하기에는 구조적으로 어렵기 때문에, 전고체전지와 반도체 제조 공정의 결합은 초소형 전자기기를 위한 보다 최적화된 솔루션이 될 가능성이 높다. 산업용 기계 제조 기업인 히타치조센 역시 자사의 분말 압축 성형 기술을 전고체전지에 적용함으로써 산업용 로봇이나 센서, 더 나아가서는 우주탐사용 기계의 동력 분야로의 사업 확장을 시도하고 있다.
셋째, 시장 지위를 강화하기 위해 전고체전지를 개발하는 기존 전지 기업들이다. 최근 전기차용 전지 시장에서 두각을 나타내고 있는 중국의 CATL은 황화물계 고체 전해질과 리튬 금속의 음극재를 활용해서 전기차용 전고체전지의 성능 향상을 시도하고 있다7. 일반적으로 전고체전지의 제조 공정은 기존 리튬이온전지와 크게 다르기 때문에 소재의 재료과학적인 기술 역량과 함께 소재에 최적화된 제조 공정의 개발이 필수적이다. 이는 쉽게 모방하거나 단기간에 축적되는 역량이 아니기 때문에, CATL은 중장기적인 관점에서 전기차용 전지 시장을 대비하는 것으로 보인다. 2016년 소니의 전지 사업을 인수한 무라타의 경우, 전지 산업 내 소니의 옛 시장 지위의 부활과 무라타의 사업 확장을 지향하고 있다. 휴대폰용 적층세라믹캐패시터(Multi Layer
Ceramic Capacitor, MLCC) 등 수동전자부품의 선도 기업인 무라타는 세라믹 분말에서부터 전자부품/모듈까지 전체 가치사슬의 수직 통합을 통해 고객들의 니즈 변화에 빠르게 대응하고 있다8. 전고체전지에서도 다양한 소재들의 조합과 소재-공정의 통합을 매우 중시하고 있다. 무라타는 세라믹 적층 기술과 소니의 소재 및 전지 공정 기술의 시너지를 통해 2018년 저출력과 높은 안전성이 요구되는 모바일 영역에 먼저 전고체전지를 출시할 예정이다. 전고체전지에 대한 신뢰성이 확보된 후 전기차용 전지 시장까지 확장할 계획이다.

국내 전지 기업의 과제

지금까지 리튬이온전지 산업은 에너지밀도 향상과 원가 절감이라는 키워드에 맞춰 다양한 시장에서 빠르게 성장해 왔다. 국내 전지 기업들은 일본 기업들에 비해 뒤늦게 시장에 진입했음에도 불구하고 탄탄한 제조 경쟁력을 바탕으로 높은 시장 지위를 차지하고 있다.
최근 모바일용 제품에 사용되는 소형전지 시장에서는 많은 중국 기업들과의 치열한 경쟁 속에서 수익 창출이 매우 어려워지고 있다. 높은 시장 잠재력이 있다고 평가되는 전기차용 전지 시장 조차도 국내 전지 기업들의 안정적인 수익 창출을 낙관하기 어려워 보인다. 중국 전지 기업들이 공급사슬망 통합을 통한 가격 경쟁력 향상과 한국 전지 기업을 견제하는 중국 정부의 규제 강화 정책에 힘입어 급성장하고 있기 때문이다.
자동차 기업들도 파워트레인의 효율화를 통해 리튬이온전지의 한계를 보완하려는 노력을 가속하고 있다. 이는 전지 기업들의 차별적 요소를 약화시키고 경쟁을 격화시킬 수 있는 요소로 작용될 가능성이 있다. 국내 전지 기업들이 고객 기반을 적극적으로 활용하는 동시에 기술적 리더십을 유지하는 노력을 반드시 함께 해야 하는 이유가 곳곳에서 발견되고 있는 것이다. 국내 전지 기업들은 차세대 전지 개발의 주도권을 잡으면서 빠르게 뒤쫓아 오고 있는 중국 전지 기업들의 예봉을 꺾을 수 있는 차별화된 무기를 장착할 필요성이 커지고 있다.
다양한 업종의 기업들이 다양한 이유로 차세대 전지 개발에 적극적인 모습을 보이고 있다. 전고체전지의 소재와 제조 공정은 기존 전지 사업에서 축적된 경험과 역량의 진부화를 가속시킬 가능성이 높기 때문에, 전고체전지의 시장 진입은 2차전지 산업의 불연속적인 변화를 촉진시킬 수 있을 것으로 예상된다. 차세대 전지 기술은 부분이 아닌 소재 속성, 이론과 적용환경, 시스템 특성 등 광범위한 영역에 대한 충분한 이해와 장기간 동안 축적된 경험과 노하우가 중요한 아날로그 특성을 가지고 있다.
개발 타이밍을 놓친 기업은 단기간에 회복할 수 없는 상당히 큰 타격을 입을 수 있다. 향후 저원가에 특화된 중국 전지 기업과의 경쟁, 차세대 전지 시장에서의 대응 등 지금보다 증가된 경쟁 구도의 복잡도를 어떻게 관리하느냐에 따라 국내 전지 기업의 경쟁 우위 지속가능성 여부가 결정될 것이다. 효과적인 외부 자원의 활용을 통해 경쟁 구도 다변화에 대한 적극적인 대응이 필요할 것이다.

출처 : LG경제연구원