에너지 저장 장치 녹색화의 유망주
산업시장분석실 책임연구원 김기일 (Tel: 02-3299-6033 e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)
| [ 요약 ] 1. 최근 슈퍼커패시터의 장점인 고출력, 고속 충방전 특징과 고용량이라는 장점을 가지고 있는 리튬이차전지의 특징을 보유한 새로운 타입의 하이브리드 슈퍼커패시터인 Lithium Ion Capacitor(LIC)에 대한 관심이 급격히 증가되고 있다. |
1) 개요
친환경 정책 및 CO2 배출규제 관련 제품과 신재생 에너지에 대한 요구가 커지면서, 에너지 저장시스템에 적합한 차세대 에너지 저장장치의 개발 요구가 증대되고 있다. 특히 분산전원 보급 확대로 인한 출력 불안정 해소, 마이크로그리드와 직류배전 적용에 따른 신규 전력저장 필요성, 전력 평준화, 품질향상 등에 대한 요구가 새로운 화두로 떠오르고 있다. 이러한 기대에 부응하는 보조 에너지 저장장치가 슈퍼커패시터, 울트라 커패시터 등으로 불리는 전기이중층 커패시터(EDLC)이다. 이는 물리적 흡착현상에 의해 전기 에너지를 저장하기 때문에 이차전지와 달리 충방전에 의한 수명 단축 문제가 없어 유지보수 측면에서 유리하며, 고속충전, 고출력 등의 장점으로 인해 주목 받아왔다. 하지만 에너지 저장 용량이 100Wh/kg 이상인 리튬이온 전지에 비해 10Wh/kg 이하로 너무 적다는 단점이 있다. 한편, 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높은 특징을 살려 휴대전화나 PC, 디지털 카메라 등의 전원으로 보급되고 하이브리드카나 전기자동차용 전원 등의 용도로 확대되고 있지만, 현재 안전성과 사이클 특성의 선결 과제가 남아있다. 이 같은 상황에서 에너지 밀도가 높고 동시에 급속 충방전이 가능한 새로운 타입의 커패시터로서 하이브리드 슈퍼커패시터 즉 Lithium Ion Capacitor(LIC)가 개발되고 있으며, 또한 다양한 에너지 분야에서의 적용을 위한 연구개발도 활발하다. 기본 구조는 EDLC의 양극과 리튬이차전지의 음극을 연결한 구조인데, EDLC의 고출력 특성은 그대로 지니면서 에너지 밀도는 보다 높게 나타낸다. 충방전 과정동안 한쪽 전극에서는 전기이중층 반응으로 인한 고출력 특성을 나타내고, 반대 전극에서는 물질의 내부로 리튬이온이 삽입 탈리되면서 고용량 특성을 구현 것이 특징이다. 출력 및 용량 측면 외에도 높은 작동 전압(3.8~2.2V), 소형/경량화 가능성, 급속 충방전 가능, 높은 내구성 및 신뢰성, 뛰어난 고온 안정성 등의 장점을 갖추고 있기 때문에 차세대 에너지 저장장치로 관심을 모으고 있다.
LIC는 초기시장 단계이므로 현재 시장규모를 정확히 알 수 없지만, 슈퍼커패시터 중형과 대형을 대체할 것으로 전망된다. 따라서 현재의 슈퍼커패시터의 시장 규모를 살펴볼 필요가 있다. 이 분야의 성장은 두드러져, 2020년 이후에는 세계시장이 연 2~3조 원대가 될 것으로 전망되다. 시장 전문조사 기관인 SNE 리서치에서 2012년에 발표한 울트라 커패시터 시장 전망을 보면, 슈퍼커패시터 세계시장은 크게 가전기기, 수송용, 산업용, 에너지 저장용을 합하여 총 3,000억 원(2009년) 국내는 약 350억원 규모의 시장이 형성되어 있다. 그리고 현재 주요 시장은 수송과 가정용 전자기기 분야이지만 이후 산업용 및 에너지 저장 분야의 가파른 성장이 예상된다. 특히 대부분의 실증 프로젝트가 끝나는 2017년을 기점으로 급속히 증가하여 2020년에는 전체시장이 약 1조 2천억 원에 달할 것으로 전망된다. <표 1>은 LIC가 대체할 가능성이 높은 중형과 대형 슈퍼커패시터를 고려할 경우를 나타낸 것으로, LIC 시장규모는 세계가 2020년에 3,700억 원, 국내가 740억 원에 이를 것으로 추정된다. 이외에 충방전 회수에 따른 성능저하가 없고 추가 유지보수 작업이 필요 없다는 장점으로 인해 대규모 에너지 저장 장치에서 납축전지를 대체할 것이며, 대형 운송/건설 장치, 로봇 장치 등에서 전원뿐만 아니라 회생제동/가속용 전원, 에너지 회생 저장 분야의 시장도 급격히 증가될 것으로 전망된다.
(단위: 억원)
| 연도 개요 | 시장 규모 | ||||
| 2012 | 2014 | 2016 | 2018 | 2020 | |
| 국내 시장 | 243.9 | 304.9 | 379.3 | 521.0 | 738.6 |
| 세계 시장 | 1219.3 | 1524.4 | 1896.5 | 2604.9 | 3692.8 |
자료 : Ultracapacitor 최신기술 및 시장전망(2012), SNE리서치(2012), 전기전자재료 제21권 제7호 참조
3) 업체 및 개발 동향
대표적인 미국 슈퍼커패시터 기업인 Maxwell Technologies사에서는 최근 하이브리드 버스, 에너지 그리드, 세미 트럭, 리프팅 적재, 하이브리드 전기자동차 등의 제품에 집중적용하기 시작하여 2.5V, 최대 2kW/kg급 파워밀도를 갖는 PowerChache 라인업을 보유하고 있다. GE의 경우에는 주로 픽업 트럭에서 첨단 에너지 저장 기술을 대체할 수 있는 원천기술을 개발하였고, 특히 이 분야에서 가장 많은 특허를 보유하고 있다. EPRI는 전력축적용 커패시터, UPS용 연료전지 하이브리드, 배전소용 납전지 대체 등 전력분야의 슈퍼커패시터에 관한 지속적인 실증 및 연구 개발를 수행하고 있다. 또한 ISE는 플러그인 하이브리드 자동차에 사용할 수 있는 MEMS 기술과 소형 박막 기술을 적용한 슈퍼캐시터 원천기술과 특허를 소유하고 있다.
일본 업체의 경우, 대표적인 LIC 생산업체인 JM Energy를 선두로 NEC Tokin, Shoei Electronics, FDK 등이 현재 20Wh/kg급 제품을 양산하기 시작했다. 닛산 디젤모터 및 혼다가 각각 디젤엔진 하이브리드차, 연료전지 하이브리드 전기차용 제품을 발표하였고, United Chemicon사는 알루미늄 전해질 커패시터를 중심으로 태양광 등 전력 변환용을 중심으로 개발하고 있다. 이외에 ELTON(러시아)는 Redox 커패시터용 금속산화물 양극과 EDLC용 음극을 사용하여 상품화하였는데, 이는 나노입자를 전극 활성 물질에 코팅하여 전극의 효율과 수명을 향상시킨 기술이다. 우크라이나의 Yunasko는 리튬이온과 슈퍼커패시터를 하이브리드화한 제품을 지속적으로 개발하고 있다.
국내 업체 동향을 살표보면, 네스캡의 경우 활성탄계 유기성 EDLC 및 하이브리드 슈퍼커패시터 개발에 주력하고 있고, ㈜코칩의 경우는 소형 하이브리드 슈퍼커패시터, 엔파워캡은 수용성 하이브리드 및 고전압 하이브리드의 슈퍼커패시터 개발에 주력 중이다. 현대 자동차는 고밀도 자동차용 슈퍼커패시터 개발을 진행 중인 것으로 알려져 있다. 또한 차세대 LIC를 개발을 위해 한국전기연구원, 전자부품연구원, 생산기술연구원 등의 연구소와 연세대, 전남대, 성균관대 등의 학계를 중심으로 새로운 소재 및 구조에 대한 다양한 연구가 시도되고 있다.
에너지 밀도를 높힌 차세대 슈퍼커패시터인 LIC는 높은 작동 전압, 고출력 에너지밀도, 급속 충방전 가능, 고온 내구성 및 신뢰성, 뛰어난 고온 안정성 등과 충방전에 따른 성능열화가 없기 때문에 신재생 에너지 발전 및 스마트 그리드 분야에 가장 적합한 저장 장치로 기대되고 있다. 특히 고품질 전력저장장치 시장 외에 회생제동/가속용 전원 적용 등의 에너지 효율향상과 관련된 신규시장에서의 성장은 괄목할만하다. 이러한 성장세를 미리 예측한 일본의 경우, 우수한 소재 기술을 기반으로 이미 정부 주도하에 슈커 커패시터 제품을 포함한 LIC 산업화에 집중하기 시작하였고, 어느 정도 상업화 단계에 근접해 있다. 이에 반해 우리나라의 경우, 아직도 시작 단계로, 나노 소재 분야의 장점을 연구소 및 대학교를 중심으로 기술혁신을 도모하고는 있지만 그 신규성으로 인해 전극재료, 전극구조, 전해질 등 각 요소 기술의 최적화가 정립되지 않은 상황이다. 따라서 정부 차원에서 통합적이고 체계적인 지원과 나노 소재 응용 기술개발을 통해 성능 혁신을 도모하는 것이 중요하다.
또한 현재 국내업체들은 원자재 수입으로 인해 가격 경쟁력이 낮은 점, 친환경 부품의 촉진 정책 부재, 최적 회로 설계 기술 취약, 국내 핵심소재산업 육성 부재 등으로 인해 사업화 추진에 어려움을 겪고 있는 실정이기 때문에 정부 및 학계의 지속적인 관심과 협업이 그 무엇보다 중요한 시점이다. 이는 차세대 친환경 에너지 저장 분야에서 국내 업체가 선두 주자로 나설 수 있는지를 결정하는 전환점이 되기 때문이다.