이차전지는 전기를 반복적으로 저장 후 사용할 수 있는 장치로 재료와 구성에 따라 납축전지, 니켈카드뮴, 니켈수소전지, 리튬이온전지로 구분이 된다. 우리나라는 1990년대 후반부터 기업들의 집중적인 연구개발 및 투자를 통하여 2011년 소형시장에서 세계 1위의 시장점유율을 달성했다. 그 동안 리튬이차전지는 일본이 주도하는 형국이었으나 이제 주도권이 한국으로 넘어온 것이다.

국내 대표적인 기업은 삼성 SDI, LG화학, 코캄, 탑전지, EIG, 오렌지파워 등이 있다. 1990년대 세계시장 1위는 일본의 소니였다. 그 후 2000년 산요, 2010년 파나소닉, 2012년 삼성SDI 등 1위 기업의 자리는 항상 변화를 거듭하고 있다. 리튬이차전지는 모바일기기를 기반으로 시장이 성장하고 있다. 응용분야는 소형 모바일기기에서 노트북과 태블릿으로, 현재는 전기자동차와 대규모 에너지저장장치 분야로 확대되고 있다. 동시에 웨어러블(Wearable), 로봇, 드론 및 의료기기 등 그 적용범위가 광범위하게 확대되고 있는 추세다.

2011년 IEC는 전기저장장치(EESS, Electric Energy Storage System)기술에 대해 보고서를 발행하였다. 이를 계기로 일본, 미국, 한국에서 본격적으로 전기저장장치에 대한 상용화가 진행이 되었다. 국내에서 지속적으로 추진하고 있는 에너지 신산업의 핵심기술은 언제든지 전기에너지를 저장할 수 있는 이차전지 기술이 그 중심에 있다고 할 수 있다.

2015년 12월 세계적인 기후변화 대응체계인 ‘신 기후변화체제 파리협정’을 통해 앞으로 에너지신사업분야의 시장이 본격적으로 성장할 것으로 예상되며, 그 핵심이 되는 중요산업이 바로 전기자동차라고 할 수 있다. 잘 알려진 것과 같이, 전기자동차 10만대를 1년간 운행할 경우 CO² 연간배출량의 45%, 99,500ton 감소한다.

전기자동차에 적용되는 리튬이차전지는 스마트폰에 사용되는 배터리의 양보다 2,600배(스마트폰 9.25Wh, 전기차 24kWh) 많다고 할 수 있다. 이러한 전기자동차와 에너지저장장치 등을 중심으로 중대형 이차전지의 시장은 급성장 할 것으로 전망하며 2020년 시장의 규모는 현재의 5배 이상이 될 것으로 예상된다. 예를 들면, 전기자동차 시장은 ‘14년 216만대에서 ’17년 648만대, ‘20년 963만대로 성장할 것으로 전망된다.

2011년 456억불에 불과했던 이차전지 시장은 2014년 542억불로 성장하였으며, 연평균 5.9%의 성장률을 보이고 있다. 여기에 최근 선진국과 신흥시장을 중심으로 전기자동차의 수요가 증가하고 있어 연평균 12.4%의 성장이 예상된다. 이러한 환경변화에 따라 세계 메이저기업들은 중대형 전지 시장선점을 위해 경쟁적으로 자동차사와 합작회사를 설립하거나, 생산 공장의 현지화를 추진하고 있다.

최근 이차전지 기술개발 전략은 신뢰성과 성능, 안전, 가격적인 측면 등 다각적으로 접근하고 있다. 10년 이상의 사용수명과 240,000km 이상의 주행성능, 기존의 내연기관 자동차 이상의 안전과 가격적인 장점을 향상시키기 위한 기술개발 노력을 추진하고 있다. 대표적인 리튬이차전지 사이즈인 18650전지를 기준으로 97년 1.3Ah의 용량에서 현재는 3.2Ah로 2.5배 이상 증가했다.

이차전지의 성능을 대표하는 기호인 체적당 에너지밀도는 ’97년 292Wh/L에서 ‘14년 700Wh/L로 증가하였으며, 가격은 ’97년 $950/kWh에서 ‘14년 $180/kWh로 줄어들었다. 전기자동차용 리튬이차전지의 경우 ’97년 94Wh/L에서 ‘14년 320Wh/L로 3배 이상 증가하였으며, 가격은 $1,000/kWh 이상에서 $200/kWh 이하로 감소했다. 에너지밀도를 기준으로 현재 160Wh/Kg에서 200Wh/kg으로 증가하며, 차세데 이차전지 기술이 적용되는 경우 300~400Wh/kg까지 성능이 향상 될 것으로 예상되며, 이러한 경우 전기자동차의 주행거리는 500km 이상을 넘어설 것으로 기대된다.

이차전지의 국제표준 업무를 담당하는 표준화기구는 IEC(International Electrotechnical Commission), ISO(International Organization for Standardization)이다. IEC TC21(Secondary cells and batteries), TC69 (Electric road vehicles and electric industrial trucks) 및 SC21A(Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes)이며, ISO TC22/SC21/WG3(Lithium ion traction batteries)에서도 전기자동차용 리튬이차전지 평가규격을 담당하고 있다. IEC TC21에서 관리하고 있는 표준은 총 29종이며, 크게 스타터용(IEC 60095 시리즈 3종), 구동용(IEC 60254 시리즈 2종), 고정형(IEC 60896 시리즈 3종), 항공기용(IEC 60952 시리즈 3종), 밸브형(IEC 61056 시리즈 4종)으로 용도별 납축전지에 관한 표준을 운영하고 있다.

전기자동차용 리튬이차전지 셀은 IEC TC21/SC21A, 팩•시스템은 ISO TC22/SC37/WG3에서 담당하며, 소형 이차전지 표준화 활동은 개정활동 중심으로 이루어지고 있다. 자동차용, 에너지저장장치용 이차전지 이슈가 부상함에 따라 중대형 이차전지 분야의 신규 표준 및 표준화 활동이 활발한 추세다.

현재 제정 완료되었거나 작업 중인 중대형 리튬이차전지 표준으로는 IEC 62660-1, 62660-2, 62619, 62620, ISO 12405-1, 12405-2, 12405-3이 있으며, 산업용 리튬이차전지 안전성 시험방법을 다루는 IEC 62619와 전기자동차용 리튬이차전지 안전성 시험방0법 표준인 IEC 62660-3은 아직 작업 중이다. 핵심이슈로 개발된 전기자동차용 셀 사이즈를 규정하였던 IEC/ISO PAS16898(2012) 표준 역시 개정시기가 도래하여 개정여부에 관한 의견 수렴 중에 있다. ‘14년 이후 제안 된 신규 표준은 한국, 일본, 독일, 스페인으로부터 에너지저장장치 분야에 7건 제안되었다.

자동차용 안전성 표준 역시 2건 제안되는 등 최근 이차전지 안전성, ESS, 차세대전지(플로우전지, NaS전지)에 대한 관심이 증가했다는 것을 알 수 있다. 국제적으로는 IEC TC 21(2차전지), IEC TC 35(1차전지) 중심의 국제표준 제정이 적극 추진중이나 우리나라는 고유표준과 이를 기반으로 한 KS 인증심사기준을 기반으로 한다.

KS는 전지•축전지 관련 표준 총 68종 중 24종이 납축전지 관련 표준으로, 국제표준 IDT 부합화한 표준은 14종이다. 국내에서 개발한 표준은 10종, 국제표준을 MOD하여 부합한 표준은 5종 운영하고 있다. 알카라인 또는 비산성 전해액을 사용하는 이차전지의 표준은 총 26종으로 자체표준 9종, IEC IDT 부합화 표준 17종 보유하고 있다. 국내는 표준개발협력기관(COSD, Cooperation Organization for Standard Development)를 통해 국제표준 대부분을 부합화 추진하고 있으며, 이차전지관련 국내 표준개발협력기관은 한국전지산업협회이다.

일본은 전지•축전지와 관련해 제정된 JIS 이차전지 표준 39종 중 2건 폐지로 총 37건이 제•개정되어 운영 중이며, ‘05년부터 JIS 마크 표시제도를 개정하여 전자기기 및 전기기계, 화학, 항공 등의 분야에서 인증 실시중이다. 중국에서 관리하고 있는 GB표준은 강제성 표준(4종), 추천성 표준(12종)으로 총 16종 운영되고 있으며, 국제표준 IEC 60086 시리즈 5종을 강제성 표준(2종)과 추전성 표준(3종)부합화하여 운영중이다.

리튬이온전지 팩/시스템 표준 시리즈 GBT31467.1~3은, 국제표준 ISO 12405.1~3에 대응하여 제정한 것으로 국제기술발전에 적응하고 중국내 기술발전 및 경쟁력 향상을 목적으로 하고 있다. 전기자동차용 구동축전지 관련 표준 GBT31484-6은 중국자동차산업표준 QCT 743-2006을 3개 부분으로 나누어 수정 및 국가표준으로 승격한 것이다. 해수침지와 온도 사이클 등의 신뢰성 시험항목 신설하여 운영하고 있다.

현재 중대형 리튬이차전지관련 핵심이슈는 내부단락시험과 확산시험으로 IEC 62660-3의 표준화 회의에서 관련 내용에 대해 심도 깊은 논의가 진행 중이며, 이와 관련된 많은 기업이 안전한 리튬이차전지 사용을 위해 노력하고 있다. 이러한 표준화를 통해 안전성이 검증된 제품이 사용될 수 있는 건전한 환경이 조성될 것으로 기대된다.

이차전지 시장규모 및 전망(단위 : 억불)

IEC TC21 구성도

중대형 이차전지 분야 신규 제안 표준

중대형 이차전지 분야 표준화 현황

김유탁

한국전지산업협회 R&D 팀장