하이브리드 자동차 시장에서 새로운 시장 형성
KISTI 산업정보분석실 김기일 (Tel:02-3299-6033 e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)
| [ 요약 ] 1. 리튬이차전지용 세퍼레이터는 전기적 절연체이자, 리튬염을 포함하는 전해액의 담지체로, 작동시 리튬이차전도에 대한 통로역할을 하며, 단락시 절연체의 역할을 하는 핵심부품이다. |
점차 증가하는 이차전지용 세퍼레이터 수요
리튬이차전지용 세퍼레이터는 고분자재질의 다공성 필름으로 양극과 음극의 물리적 접촉을 막는 전기적 절연체, 리튬염(예: LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3 등)을 카보네이트계 유기용매(예: 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 디메틸카보네이트(DMC), 디에틸카보네이트(DEC), 에틸-메틸카보네이트(EMC) 등)에 용해시킨 전해액에 대한 담지체로서 작동 시 리튬이온에 대한 전달통로로, 단락 시 리튬이온에 대한 차단체로서의 기능을 가진다.
바람직한 리튬이차전지용 세퍼레이터는 전해액에 대한 높은 젖음성과 높은 내화학성을 가지며, 충전/방전 과정에서의 전기화학적 안정성, 전지조립과정이나 이차전지 구동 시 우수한 기계적 강도, 전극과의 높은 친화성(낮은 계면저항), 기공구조 형성에 따른 높은 가공성, 가능한 얇은 두께(< 25m), Shutdown 능력, 일정수준의 기공도(38~55%), 적절한 굴곡도(Tortuosity), 상호 연결된 균일한 기공크기(수십 nm 수준)를 갖는 재료여야 한다. 이러한 다양한 기능이 요구되는 리튬이차전지용 세퍼레이터 소재로, 가장 보편적인 소재는 건식법 또는 습식법 기반의 연신 과정을 통해 제조된 PE와 PP이다.
일반적으로 습식법으로 제조된 세퍼레이터(이하 “습식막”)는 성형 과정에서 첨가된 가소제(예: 파라핀오일 등)를 유기용매로 추출할 때 발생하는 기공을 연신하여 확장시킨 것으로 강도, 탄성, 두께 및 기공의 균일도가 우수한 장점을 갖는다. 반면, 건식법으로 제조된 세퍼레이터(이하 “건식막”)는 압출필름을 저온에서 연신시키고 결정계면에서 미세균열을 발생시켜 제조된다.
리튬이차전지용 세퍼레이터는 전기적 절연체이자 리튬염을 포함하는 전해액의 담지체로, 작동 시 리튬이차전도에 대한 통로역할을 하며, 단락 시 절연체의 역할을 하는 핵심 부품이다.
최근 전기차 수요 증가로 인해 수명이 길고 출력이 높은 리튬이차전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 전기에너지저장(Electrical Energy Storage; EES)용 이차전지에 대한 수요가 급격하게 증가되고 있다. 이를 위한 기술적 선결과제로서 높은 내열성을 갖는 세퍼레이터 소재의 확보는 필수불가결하다. 예를 들어, 대표적 단일층 PE 및 PP 세퍼레이터를 이용하여 높은 충방전용량을 가진 이차전지를 제조할 경우, 150도 이상의 고열 노출 시 그들의 녹는점 한계(PE 및 PP의 녹는점: 125° 및 158°)로 인해 급격한 열수축 현상이 발생하게 되어 내부단락이 유발되며, 기계적 충격을 받을 경우에도 쉽게 뚫리는 특성이 나타난다. 그 결과 폭발 위험성이 현저하게 증가된다.
리튬이차전지의 이러한 전기화학적 안정성 및 내구성의 중요성으로 인해, 세퍼레이터는 단순한 저가 격리막 소재라는 이차전지업계의 일반적인 인식의 틀을 벗어나, 고용량 리튬이차전지 개발을 위한 핵심소재로 재인식되어지고 있다. 전기차용 리튬이차전지용 분리막 제조를 위해서는, 보다 안정성 측면이 우수한 건식 제조 방식이 선호되고 있다. 또한, 경박간소화 추세에 맞춰 세퍼레이터 주류 제품의 두께가 20m에서 16m로 점차 얇아지고 있다.
2013년 메리츠종금증권 리서치센터 보고서에 의하면, 전기차용 리튬이차전지 시장은 2013년 5조 원, 2015년 7조 원, 2020년 16조 원 규모로 성장하여, 지금부터 향후 몇 년이 고용량 리튬이차전지 시장을 이끄는 동력원이 될 것으로 예측된다. 하지만 2016년 이후부터는 ESS 시장 규모가 급속하게 성장하여, 2020년에는 전기차용 리튬이차전지 시장의 두 배 정도로 성장하는 핵심성장 드라이브가 될 것으로 전망된다.
전기차 및 ESS와 같은 용도로 고용량, 고출력 중대형 리튬이차전지가 필요하기 때문에 내열성 세퍼레이터 시장은 급속한 성장이 예측된다.
대표적인 세퍼레이터 제조사로는 Big5로 불리우는 Ashai Kasei, Toray Tonen, Ube(일본), Polypore, Misc사(미국), SK이노베이션(한국)이 총 시장 점유율 86%를 차지하고 있다. 그중 Ashai Kasei사와 Toray Tonen사는 PE 습식막을 이축연신에 의해 생산하고 있으며, Polypore사 및 Ube Industries사는 PP 건식막을 일축연신으로 생산하고 있다. 수요자 측면에서 보면, 삼성 SDI, LG화학, Sanyo, Sony와 같은 전지업체는 고속자동화된 전지조립 양산라인을 운영하므로, 비교적 강도가 우수한 습식막을 선호한다. 하지만 수작업 의존도가 높은 중국 업체는 주로 저강도, 저가 건식막에 의존하고 있다. 아래의 표는 주요 세퍼레이터 제조사별 전지업체로의 공급현황을 보여준다.
전 세계 세퍼레이터 시장에서는 일본 Asahi Kasei가 선도기업이며, 국내에서는 SK이노베이션, 톱텍 등이다.
최근 Ashai Kasei사에 매각된 Celgard사의 경우, 저가 고출력용 리튬이차전지용 세퍼레이터 소재로 PP/PE/PP 삼층막 구조를 건식법을 통해 양산해 왔으며, M&A 과정을 통한 습식법 및 건식법 기술 확보 결과, Ashai Kasei사의 세퍼레이터 분야로의 공격적인 시장 확대가 이루어질 전망이다.
폴리올레핀계 세퍼레이터의 기계적, 열적 안정성 개선을 위해, 다공성 세퍼레이터의 표면에 세라믹 입자층을 형성시켜 고온에서의 높은 수축률을 보완한 강화막 개발 및 양산이 LG화학, Evonik Degussa, Asahi Kasei사를 중심으로 이루어지고 있다. 강화막의 경우, 내열성 개선이 이루어진 반면, 제조가가 건식막 대비 50%, 습식막 대비 15% 상승하였으며, 두께가 다소 두꺼워지는 단점을 나타내었다. 더해서, 세라믹의 고른 분산성 확보의 어려움과 사용된 세퍼레이터가 폴리올레핀이므로 재료 자체에 대한 한계적 내열성 문제도 여전히 남아 있는 상태이다. 이를 보완하기 위해, Ashai Kasei사에서는 PE 수지와 세라믹을 하이브리드화 시키는 방법으로 PE 고유의 열적 한계를 극복하기 위한 시도를 했지만, 난성형성, 고비용의 문제는 여전히 남아 있다.
반면, Panasonic사에서는 세라믹층을 세퍼레이터가 아닌 전극판에 코팅한 구조를 개발 중에 있으나, 안정적이고 균일한 세라믹 코팅층 형성에 어려움을 겪고 있다.
시장 활성화를 위한 선결과제와 전략
1991년부터 일본 Sanyo사에 의해서 소형IT기기용 원통형 리튬이차전지가 최초로 상업화 된 이후, 리튬이차전지는 첨단 IT 산업의 에너지 고용량화 수요에 부합하여 시장 점유율을 확대하고 있으며, 2009년부터 전기차용 중대형 리튬이차전지 수요 증가로 인해 경쟁적으로 고용량 고출력 리튬이차전지 세퍼레이터가 출시되고 있다. 이러한 추세는 방전시 공기 중의 산소를 양극에서 소모시키는 금속공기전지(Metal-air Batteries) 등 차세대 전지 실용화 지연으로 인해 2020년까지 이어질 것이라 예측된다.
현재 리튬이차전지 시장은 한중일의 치열한 파워 게임이 지속되고 있으며, 그와 동반된 세퍼레이터 시장 경쟁도 심화되고 있다. 2005년부터 발생한 전지 발화 및 폭발 사고의 여파로 일본 3개사 신뢰도가 약화된 이후, 완성 전지업체인 삼성 SDI 및 LG화학 지배력의 강화가 현재까지 이루어지고 있다. 또한, 주요 제조사들이 원가 절감 및 일정 규격의 용기 내에 에너지 저장용 전극재료를 보다 많이 충전하기 위해 전극판 두께 및 밀도를 증가시키고, 상대적으로 세퍼레이터 두께를 감소시키는 전지 고용량화 경쟁 속에서 리튬이차전지의 안정성 문제와 이를 해결할 수 있는 고내열성 세퍼레이터 소재 개발은 현 단계에서 가장 큰 이슈가 될 수밖에 없다.
이에 더해, 2006년 이후 리튬이차전지 상위 업체의 1세대 기술(용량한계 2.6Ah)인 리튬전지 조립기술이 평준화되었고, 이후 이차전지사업의 기치인 고성능, 저가 기술은 2세대 기술(용량한계 3.2Ah)인 양극물질 및 세퍼레이터와 같은 핵심 소재가 주도가 되어 리튬이차전지 패러다임 변화를 이끌어 오고 있다. 그러나 3.2Ah 이상의 고용량화, 저가격화, 장수명화, 대형화를 달성하기에는 현 리튬이차전지 소재 기반으로는 한계가 있다. 3세대 기술 확보를 위해서는 혁신소재기술 적용이 필요하며, 전지사업의 경쟁력확보를 위해 세퍼레이터에서도 혁신이 이루어져야만 한다.
세퍼레이터 기술 연구는 ESS 및 전기차 기반기술 확보, 국가 경쟁력 증대와 세계 시장 확대라는 측면에서 정부 차원의 지원이 절실할 것으로 전망된다.
현 단계에서 가장 개선된 기술이라 평가받는 막 강화기술도, 다공성 PE나 PP 세퍼레이터 대신 부직포나 고내열성 고분자소재로 대체되거나, 유무기 복합화 및 하이브리드화를 통해 열적, 기계적 안정성을 강화하거나, 표면코팅제로 알루미나 대신 저가의 실리카나 BaTiO3 등과 같은 대체소재 도입 및 코팅기술 확보를 통해 보완되어야 한다.
또한 고내열성 외의 기계적 강도, 리튬이온전도도 등의 추가적인 기능성이 부여된 세퍼레이터 개발 또한 선행되어야 한다. 최근 세퍼레이터와 전해액의 기능을 통합한 고체형 이온전도체(Ionic Conductor) 또는 더 나아가 전극을 포함하는 전고체형 리튬이차전지 등 차세대 리튬이차전지 연구가 완성 전지업체를 중심으로 진행되기 시작하였다. 이러한 연구는 세퍼레이터의 기능성 부여와 그 맥을 같이 하고 있다. 고용량 고출력 차세대 리튬이차전지에 반드시 선결되어야 하는 핵심 부품으로서의 세퍼레이터 기술 연구는 ESS 및 전기차 기반기술 확보, 국가 경쟁력 증대와 세계 시장 확대라는 측면에서 정부 차원의 지원이 절실할 것으로 전망된다.