양극활물질 국산화는 특허선점으로부터
[뉴스창]휴대폰, 태블릿 등 소형 IT 기기분야와 자동차 분야에서 공통적으로 이슈가 되는 기술이 있다. 최근 글로벌 자동차업체 테슬라가 ‘18년까지 연간 50만대의 전기차를 생산하겠다는 계획을 발표하면서 고용량/고에너지밀도의 이차전지 개발에 많은 관심을 보이고 있다.
리튬이차전지는 양극과 음극사이에 리튬이온의 이동으로 충전과 방전이 수백회이상 반복가능하여 기존의 납축전지 및 니켈전지보다 우수한 작동전압 및 에너지 용량을 구현할 수 있으므로, 앞으로도 시장규모는 더욱 급성장할 것으로 예측되고 있다.
이를 구성하는 핵심 부품소재는 양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액으로 구분할 수 있는데, 4대 소재 중 원가 비중이 가장 높은 것이 양극활물질(36%)이고, 실제 이차전지의 최종성능에도 매우 큰 영향을 주기 때문에 관련 기술개발이 매우 중요하다.
특허청에 따르면, 리튬이차전지의 양극활물질 제조(합성)에 관련된 특허출원건수는 ‘97년부터 총 216건이며, ‘08년 이후부터 서서히 증가하여 ‘14년에는 45건으로 나타났다.
양극활물질을 금속염의 구성성분(결정구조)에 따라 살펴보면, 층상 구조의 LCO계 5.1%(11건), NCM계 30.1%(65건), NCA계 5.1%(11건)이고, 스피넬 구조의 LMO계 16.2%(35건), 올리빈 구조의 LFP계 27.8%(60건), 기타 리튬계 15.7%(34건)으로 구분할 수 있다.
LCO계는 상업화 초기부터 광범위하게 사용되어 왔으나, 주합성 재료인 코발트(Co)가 고가이고 매장량이 한정되어 있기 때문에 신규개발은 정체되어 출원건수는 미약하고, 상대적으로 가격과 안전성이 우수한 NCM계는 전기차 시장 확대와 함께 그 대체재료로 개발되어 증가하고 있다.
또한 LFP계는 올리빈 구조의 화학적 특성 때문에 과열/과충전 상황에서도 안전성이 뛰어나고 수명특성도 우수하여 ‘10년 이후부터는 가장 주목받고 있는 소재이다.
국가별로는 한국(133건, 61.6%)과 일본(79건, 36.6%)이 주를 이루고 있으며, 기업별로도 ① LG화학(59건, 27.3%), ② 삼성SDI 등의 삼성계열(28건, 13%), ③ 스미토모(日, 17건, 7.9%), ④ 미쓰이(日, 11건, 5.1%)순으로 분석되었다.
기존 소재의 국산화가 시작되면서 ‘10년 이후부터는 전체 출원건수에서도 일본을 넘어섰다(붙임 4). 일본은 아직까지도 NCM계에 치중하고 있는 반면에 한국은 고용량화, 저가격화 및 대형화를 만족시킬 수 있는 최적의 소재인 LFP계와 NCM계 모두에 관심을 가지고 출원하고 있으며(붙임 5), 소재기업(양극활물질제조)과 수요기업(전지업체)도 함께 개발하고 있는 등 자체기술확보와 공동협력을 통해 시장변화에 대비하고 있는 것으로 파악된다.
특허청 관계자는 “기존 모바일 IT 중심의 시장에서 전기차/에너지저장장치용 이차전지 등 중대형 중심으로 시장이 확대되고 있어, 새롭고 우수한 특성을 가진 양극소재의 원천특허 확보가 필요하다.
특히 더 싸고 오래가며 안전한 리튬이차전지를 개발하기 위해서는 4대 소재 중 양극활물질이 가장 핵심이므로, 향후 수요-공급기업간의 협력을 긴밀하게 유지하면서 일본기업과 경쟁할 수 있는 튼튼한 기초소재기술을 지속적으로 확보할 필요가 있다”고 말했다.
김영윤기자
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