□ 배경

o 리튬이차전지

- 현재 상용화되어 있는 리튬이차전지는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해질로 구성되어 리튬이온이 전해액을 매질로 하여 두 전극을 오가면서 전기화학적 반응에 의해 구동하는 에너지 저장 소자임.

- 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연 방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용됨.

- 이외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세임.

- 이처럼 기존의 소형 휴대용 전자기기는 물론 전기자동차 및 ESS등 응용처 확대에 따라 고용량, 고출력, 장수명 등 전기화학적 성능은 물론 고온/저온, 내구성, 안전성 등 외부적 효과도 그 중요성이 강화됨.

- 이러한 요구조건을 만족하기 위해 다양한 측면의 신소재 개발 및 적용을 통해 고성능의 차세대 리튬이차전지 개발이 계속 진행됨.

- 그중에서도 기존의 리튬이온전지에서 사용하는 유기 전해액의 가연성, 부식성, 열적 불안정성, 고전압 취약성 등에 의한 안전성 결여 문제를 해결하기 위해 고체 전해질을 적용하는 연구가 현재 가장 관심을 받고 있음.

o 국내 정부 정책, 이차전지 개발 로드맵 : 전고체전지 개발

- 2020년 정부에서 발표한‘한국판 뉴딜 종합계획’에 의하면 10대 대표과제 중 하나로 ‘친환경 미래 모빌리티’를 선정하여 2019년 9.1만대 수준의 전기차를 2025년 113만대로 확대할 계획임.

- 2021년 발표한 ‘2030 이차전지 산업(K-Battery) 발전전략’에서는 차세대전지로서 전고체, 리튬황, 리튬금속전지 세 종류로 구분하여 개발 로드맵을 제시하였음. 리튬황, 리튬금속전지는 사실상 고체 전해질을 적용함으로써 구현할 수 있으므로 고체 전해질 개발이 필수적임.

o 주요 국가, 기업별 이차전지 개발 로드맵 :전고체전기 개발

- 미국 : DOE 산하 Vehicle Technologies Office(VTO)의 프로젝트 중 하나인 the US consortium Battery500을 통해 500Wh/kg급 전지 개발을 진행중. 해당 목표를 달성하기 위해 고체 전해질과 리튬 금속을 적용해야함.

- 독일 : SET Plan action 7에서 2030년 목표 에너지 밀도를 400Wh/kg(750Wh/l)로 설정하였음. 특정 물질을 언급하진 않았으나 현재 리튬 이온배터리의 기술이 이론적 한계에 도달한 상태이므로 고체 전해질을 포함한 차세대전지 기술 개발의 필요성을 언급함.

- 중국, 일본 : 2030년 500Wh/kg을 목표로 연구를 진행중.

o 국내 정부 정책, 이차전지 개발 로드맵 :전고체전지 개발

- 2020년 정부에서 발표한‘한국판 뉴딜 종합계획’에 의하면 10대 대표과제 중 하나로 ‘친환경 미래 모빌리티’를 선정하여 2019년 9.1만대 수준의 전기차를 2025년 113만대로 확대할 계획임.

- 2021년 발표한 ‘2030 이차전지 산업(K-Battery) 발전전략’에서는 차세대전지로서 전고체, 리튬황, 리튬금속전지 세 종류로 구분하여 개발 로드맵을 제시하였음. 리튬황, 리튬금속전지는 사실상 고체 전해질을 적용함으로써 구현할 수 있으므로 고체 전해질 개발이 필수적임.

o 주요 국가, 기업별 이차전지 개발 로드맵 :전고체전기 개발

- 미국 : DOE 산하 Vehicle Technologies Office(VTO)의 프로젝트 중 하나인 the US consortium Battery500을 통해 500Wh/kg급 전지 개발을 진행중. 해당 목표를 달성하기 위해 고체 전해질과 리튬 금속을 적용해야함.

- 독일 : SET Plan action 7에서 2030년 목표 에너지 밀도를 400Wh/kg(750Wh/l)로 설정하였음. 특정 물질을 언급하진 않았으나 현재 리튬 이온배터리의 기술이 이론적 한계에 도달한 상태이므로 고체 전해질을 포함한 차세대전지 기술 개발의 필요성을 언급함.

- 중국, 일본 : 2030년 500Wh/kg을 목표로 연구를 진행중.

□ 필요성

o 리튬이차전지 시장의 확대

- 2020년 글로벌 배터리 총 출하량은 221GWh로 집계되었으며, 이후 연평균 32% 성 장하여 2030년에는 3,670GWh 규모까지 이를 것으로 전망.

- 전기차 배터리 출하량은 143GWh로 집계되었으며, 이후 연평균 36.7% 성장하여 2030년에는 3,257GWh 규모까지 이를 것으로 전망.

- IT기기 배터리 출하량은 58GWh로 집계 되었으며, 연평균 6.7% 성장하여 2030년에는 111GWh 규모에 이를 것으로 전망.

- ESS 배터리 출하량은 20GWh로 집계되었으며, 이후 연평균 31.2% 성장하여 2030년에는 302GWh 규모에 이를 것으로 전망

o 전고체 배터리 시장의 확대

- 세계 전고체전지 시장규모는 2020년 약6,160만 달러에서 연평균 34.2%의 높은 성장률을 나타내 2027년 약4억8,250만 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망됨.

- 전체 배터리 시장 규모에서 전고체 배터리 차지 비중은 25년 0.8%, 27년 2.5%, 30년 7.0%로 예상

o 전고체 배터리의 필요성

- 최근 리튬이차전지는 높은 에너지밀도와 고용량화 되어 급속도로 발전하고 있음. 하지만 높은 에너지 밀도는 화재나 폭발 위험성을 지님.

- 이처럼 현재 리튬이차전지에서 리튬이온의 이동을 위해 사용하는 유기 전해액은 과열 및 과충전 상태에서 폭발의 위험성을 가지고 있기에 높은 안전성을 가진 고체 전해질로의 대체 개발이 필요함.

- 특히 국내외 이차전지 개발 로드맵 상에서 궁극적으로 목표하고 있는 에너지밀도를 달성하기 위해서는 리튬 금속을 안전하게 구동할 수 있는 고체 전해질 적용이 필수적임.

- 기존 리튬이온전지의 구성요소인 가연성 액체전해질을 우수한 화학적/전기화학적 안정성을 지닌 고체전해질로 대체하여 작동 안전성 및 내구성을 크게 향상.

- 에너지 밀도의 향상이 가능하며, 전지 안정성을 확보하기 위해 사용 되었던 부품, 소재 적용이 줄어들어 크기를 소형화 할 수 있음.

- 이차전지의 패러다임이 전고체 전지로 급속히 변하는 상황에 대비해 전고체전지와 관련된 핵심 소재 및 양산기술에 대한 선제적인 기술개발이 필요

o 고분자계 고체 전해질 개발의 필요성

- 전고체 배터리는 표준화된 기술이 아니므로 업체별로 기술이 상이함.