대체 배터리 기술_서론

독일의 프라운 호퍼 연구소 (Fraunhofer Institute)는 1949년에 설립된 독일의 정부 출연 연구기관으로 독일 전역에 걸쳐 76개의 연구소에 과학자와 엔지니어로 구성된 약 30,800명의 직원이 근무하고  있는 유럽 최대의 응용 연구개발 조직입니다.

"배터리 2020" 계획은 "미래 모바일 및 고정 응용분야를 위한 배터리 재료 연구" (Battery Matreials for Future Mobile and Stationary Applications)를 목적으로 독일 연방 교육 연구부 (BMBF)가 자금을 지원하는 프로그램입니다.

프라운 호퍼연구소는 이 프로그램의 일환으로 2023년 9월에 "Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+"를 발표하였습니다. 

이 보고서에는 2030년 내에 리튬이온 배터리 이외 유망한 대체 배터리 기술들에 대한 전반적인 내용과 향후 전망이 잘 정리되어 있어 이를 소개하고자 합니다.

 

리튬이온 배터리(LIB)는 현재 지배적인 배터리 기술로, 2023년에는 전 세계 시장이 거의 1 테라와트시(TWh)에 이를 것으로 예상됩니다. 향후 10년 동안 리튬이온 배터리는 납축전지(PbA: Pb-Acid) 외에 유일하게 대규모로 상용화된 기술이 될 것입니다. 리튬이온 배터리는 가장 빠른 성장률을 보이고 있으며, 전기 승용차, 상업용 차량, 기타 다양한 이동 수단 개념, 고정 애플리케이션 및 모바일(소비자) 기기에서 사용됨으로써 납축전지를 이미 능가했습니다.

현재 세계 여러 지역에서는 리튬이온 배터리를 기반으로 한 배터리 생태계를 구축하는 중요한 단계에 있지만, 정치적 및 지정학적 긴장도 새로운 환경을 조성하고 있습니다. 특히 배터리 산업에서 중국이 주도하는 분위기에 대해 비판적으로 바라보는 시선들이 있습니다. 유럽 배터리 규정(European Battery Regulation)과 같은 조치는 유럽의 배터리 가치 사슬을 형성하기 위한 조건을 마련하기 위해 마련된 것이며, 이는 필수적인 지속 가능성과 안전 요구 사항을 포함합니다. 또한, 미국의 인플레이션 감축법(IRA: Inflation Reduction Act)은 미국을 재산업화하고 이 지역으로 직접 투자를 유도하기 위한 조치로, 이들 지역의 회복력과 주권을 강화하려는 의도를 가지고 있습니다.

이러한 맥락에서 모든 세계 지역과 국가에서는 산업 정책과 집중적인 자금 지원에 대한 새로운 초점이 관찰되고 있습니다. 기존 및 증가하는 지정학적 의존성과 시장 구조를 고려하기 위해 최근에 전략적 의제들이 수립되었으며, 일부는 업데이트되었습니다. 유럽이 배터리 산업에서 기술 주권을 가지기 위해서는 공급망에 접근할 수 있는 회복력 있고 지속 가능한 순환 배터리 생태계가 필요합니다. 이는 다시 말하면 원자재와 부품에서부터 자동차 산업 및 기타 시스템 통합자와 사용자들의 증가하는 수요를 충족할 수 있는 셀 생산 능력을 구축하는 것까지를 말합니다. 

유럽 내 원자재 의존성을 완화하기 위한 전략으로 리튬과 같은 광물 채굴 프로젝트나 리튬이온 배터리의 재활용이 제시되고 있지만, 이는 문제를 부분적으로만 해결할 수 있으며, 재활용의 경우 10년 이상의 시간이 걸려야 실질적인 영향이 있을 것입니다. 배터리 생산에서의 스크랩 감소나 스마트하고 디지털화된 생산을 통한 효율적인 공정을 활용하는 등 자원을 제한적으로 사용하는 방법도 있지만, 지속 가능한 사용 및 소비자 행동을 촉진·지원하여 필요한 배터리 수를 줄이는 방법 등이 리튬이온 배터리 의존성을 줄이는 데 기여할 수 있는 조치들입니다.

그러나 향후 10년 동안 배터리 수요는 10배 이상 증가할 것이며, 그 이상일 가능성도 있습니다. 그러나 이러한 막대한 수요에도 불구하고 대규모로 상용화된 배터리 기술이 하나뿐이라는 점에서, 대체 배터리 기술을 개발해야 할 필요성은 충분히 있습니다. 

현재 리튬이온 배터리 외에도 여러 대체 배터리 기술이 개발 중이거나 시장에 진입할 준비를 하고 있습니다. 이 보고서에서 다루는 로드맵은 아직 대규모로 상용화되지 않았지만 중장기적으로 하나 이상의 애플리케이션에서 유망해 보이는 대체 배터리 기술에 초점을 맞추고 있습니다. 이 로드맵은 다음과 같은 대체 배터리 기술을 다룹니다:

■ 금속 이온(Me-ion) 배터리 계열
- 나트륨이온 배터리(SIB: Sodium Ion Batteries)
- 나트륨이온 염수 배터리(SIB Salt: Sodium-ion saltwater batteries)
- 마그네슘이온 배터리(MIB: Magnesium-ion batteries)
- 아연이온 배터리(ZIB: Zinc-ion batteries)
- 알루미늄이온 배터리(AIB: Aluminum-ion batteries)

 

■ 금속-황(Me-S) 배터리 계열
- 리튬-황(Li-S: Lithium-sulfur)
- 상온 나트륨-황(Na-S RT: Sodium-sulfur room temperature)
- 고온 나트륨-황(Na-S HT: Sodium-sulfur high temperature)

 

■ 금속-공기(Me-air) 배터리 계열
- 리튬-공기(Li-air: Lithium-air)
- 아연-공기(Zn-air: Zinc-air)

■ 레독스 플로우 배터리(RFB; Redox flow batteries)

이 로드맵은 시스템적인 관점을 제공하며, 기술적(예: 핵심 성능 지표와 잠재적 개발), 경제적(예: 비용, 시장, 생산, 공급망), 생태적 측면(예: 자원 가용성 및 배터리 재료의 생태 발자국)을 다루고, 이를 리튬이온 배터리와 비교합니다. 

 

1. 대체 배터리 기술의 구체적인 장점은 무엇인가?

금속 이온(Me-ion) 배터리
SIB(나트륨 이온 배터리)는 구조와 작동 원리 면에서 LIB(리튬 이온 배터리)와 매우 유사합니다. 하지만 자원 의존도가 낮고 더 나은 지속 가능성과 비용 혜택을 제공할 가능성이 있습니다. ZIB(아연 이온 배터리)는 LIB보다 에너지 밀도가 훨씬 낮지만, 동시에 물 기반 전해질을 사용하여 환경적 영향을 크게 줄일 수 있습니다. MIB(마그네슘 이온 배터리)는 LIB의 에너지 밀도를 초과할 수 있는 높은 중량 및 부피 에너지 밀도를 제공할 가능성이 있습니다. AIB(알루미늄 이온 배터리)는 LIB보다 훨씬 높은 전력 밀도, 커패시터보다 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 그리고 높은 충전 속도를 가질 수 있도록 설계될 수 있습니다. 그러나 에너지 밀도는 대부분의 다른 금속 이온 배터리 기술보다 낮습니다.

 

금속-황(Me-S) 배터리
금속-황 배터리 분야에서도 유망한 기술들이 존재합니다. Li-S(리튬-황) 배터리는 LIB보다 높은 중량 에너지 밀도를 가질 가능성이 있지만, 부피 에너지 밀도와 수명 안정성은 낮을 가능성이 있습니다. 또한, 높은 에너지 밀도와 황(S)의 저렴한 가격으로 인해 kWh당 비용이 낮아질 수 있습니다. 그러나 주기 안정성과 전력 밀도에서 개선이 필요합니다. Na-S HT(고온 나트륨-황) 배터리는 LIB보다 약간 낮은 중량 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다. Na-S HT 배터리는 사용되는 소재로 인해 LIB보다 낮은 CO2 배출량을 가질 수 있지만, 시스템 효율성과 상대적으로 높은 비용을 해결해야 합니다. 이와 관련해 Na-S RT(실온 나트륨-황) 배터리는 훨씬 더 유리하며, 장기적으로는 LIB와 유사한 중량 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.

 

금속-공기(Me-air) 배터리
금속-공기 배터리 중에서 특히 Li-air(리튬-공기) 배터리는 낮은 기술 성숙도를 가지고 있어 상당한 연구가 필요합니다. 그러나 이론적으로 Li-air 배터리는 LIB보다 잠재적으로 약간 낮은 비용으로 매우 높은 중량 에너지 밀도를 가질 수 있습니다. 하지만 이를 실현하기 위해서는 수명 안정성 문제를 해결해야 합니다. Zn-air(아연-공기) 배터리는 Li-air보다 더 발전된 기술로 간주되며, 또한 LIB에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있습니다.

또한, 이 배터리들은 더 낮은 비용과 더 작은 CO2 배출량을 제공할 수 있습니다. 그러나 전력 밀도는 상대적으로 낮습니다. 아연-공기 흐름 배터리를 개발하는 회사의 발표에 따르면, 수년 동안 상업화 직전에 있었지만, 아직까지 시장에서 실현 가능한 대체 배터리 기술로 자리 잡지 못했습니다.

 

레독스 플로우 배터리 (RFBs)
바나듐 기반의 레독스 플로우 배터리 배터리(RFBs)는 이미 시장에 자리 잡고 있지만, 여전히 개선의 여지가 있습니다(예: 바나듐을 대체하는 소재의 사용을 통해 비용과 CO2 배출량을 줄이는 방식).

 

위와 같이 나열된 대체 배터리 기술은 낮은 비용(예: 아연 기반 셀)이나 높은 자원 가용성(특히 나트륨 또는 마그네슘 기반 셀)이 요구될 때 특히 적합하며, 이들의 기술적 성능 지표(KPIs)는 특정 응용 분야에 대한 적합성을 주로 결정합니다.

 

2. 대체 배터리 기술의 응용제품은 무엇입니까?

대체 배터리 기술은 기술적, 경제적, 환경적 차이로 인해 매우 다양한 응용 분야에 적합하며, 기술 성숙도와 기술적 과제에 따라 상업화 시점도 다를 것으로 예상됩니다. 따라서 모든 응용 분야와 시장 요구를 충족하는 단일 기술은 존재하지 않습니다.

 

모바일 응용 분야 (Mobile Applications)

현재 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 요구하는 모바일 응용 분야에서는 SIB(나트륨 이온 배터리)가 상용화되고 있습니다. 전극 재료에 따라 리튬 인산철(LFP) 셀과 유사한 성능 지표(KPIs)를 달성할 수 있기 때문에 전기자동차용으로 중국에서 상용화가 이미 시작되었습니다. SIB는 특히 저온에서의 성능이 우수해, 고에너지 LIB 셀(예: 리튬 니켈 망간 코발트 산화물, NMC)과의 하이브리드화에서 유리할 수 있습니다. SIB는 주로 2~3륜 차량과 소형 자동차에 사용되어 LFP 기반의 LIB와 경쟁하고 있습니다.
미래를 내다보면, MIB(마그네슘 이온 배터리)는 높은 에너지 밀도의 잠재력 덕분에 2040년 이후부터 대형 차량 분야에서 사용될 수 있습니다. Li-S(리튬-황) 배터리는 2030년대 중반에 대형 드론에 사용될 수 있으며, 2040년경에는 전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL)에도 적용될 수 있습니다. eVTOL 분야에서는 Li-S 배터리보다 낮은 전력 및 에너지 밀도를 가지지만, CO2 배출량과 비용 측면에서 이점이 있는 Zn-air(아연-공기) 배터리도 흥미로운 응용 분야가 될 수 있습니다. Li-air(리튬-공기) 배터리는 매우 높은 에너지 밀도 덕분에 나중에 기술적 과제가 해결되면 모바일 응용분야에서 큰 역할을 할 수 있을 것입니다. 하지만 이 기술의 미래 개발에 대한 불확실성이 크기 때문에 상업화 시점이나 응용 분야에 대한 예측은 신중해야 하며, 연구 개발이 계속되면서 파급 효과가 있을 수 있습니다.

 

고정식 응용 분야 (Stationary Applications)

고정식 응용 분야(ESS)에서는 에너지 밀도와 같은 일부 주요 성능 지표에 대한 요구사항이 모바일 응용 분야보다 낮은 반면, 주기 수명이나 kWh당 충전 비용과 같은 다른 측면에서 더 엄격한 요구가 있습니다. 따라서 대체 배터리 기술이 이 분야에서 더 중요한 역할을 할 가능성이 큽니다. 이미 시장에 부분적으로 나와 있는 RFB(레독스 플로우 배터리)나 Saltwater (염수 배터리), Na-S HT(고온 나트륨-황) 배터리 외에도, SIB는 자원 가용성, 안전성, 깊은 방전 능력 덕분에 가까운 미래에 채택될 가능성이 있습니다. 2025년에서 2030년 사이에는 저비용 및 친환경적인 ZIB(아연 이온 배터리)가 시장에 진입할 수 있으며, 이는 에너지 밀도와 부피 요구 사항으로 인해 모바일 응용보다는 대형 ESS에 더 적합할 것입니다. MIB는 고정식 응용 분야에서 모바일 응용으로 넘어가기 위한 중간 단계로 더 많이 사용될 가능성이 있습니다.
Me-air(금속-공기) 배터리의 경우, 중기적으로 Zn-air 배터리는 대형 버퍼 저장 시스템에 적합할 수 있습니다. 2035년부터는 Na-S RT(실온 나트륨-황) 배터리가 오늘날 Na-S HT 배터리로는 불가능한 소형 저장 시스템에 사용될 수 있을 것입니다. 마지막으로, 2025년에서 2030년 사이에 AIB(알루미늄 이온 배터리)는 주로 높은 C-rate를 요구하는 고주기 응용 분야(예: 그리드 안정화나 피크 절감)에 사용될 수 있으며, 이후에는 빠른 충전을 위한 버퍼 저장 장치로도 사용될 수 있습니다.

 

3. 대체 배터리 기술은 원자재 의존도를 크게 줄일 수 있습니까?

모든 비리튬 기반 배터리 기술은 상대적으로 중요한 원자재에 대한 의존도를 줄이는 데 기여할 수 있습니다. 하지만 LIB와 비교될 만한 대규모 응용 및 시장이 없기 때문에, 리튬, 니켈, 코발트의 생산과 공급은 여전히 중요한 문제가 될 것입니다. 특히 향후 5~10년 동안 그러할 것으로 예상됩니다.

또한, 대부분의 대체 배터리 기술은 LIB보다 에너지 밀도가 낮기 때문에 동일한 저장 용량을 달성하려면 더 많은 원자재가 필요할 수 있습니다.

 

4.  LIB와 같이 확장 가능한 대체 배터리 기술은 무엇입니까?

금속 이온(Me-ion) 배터리는 LIB와 가장 유사한 생산 공정을 가지고 있어, 생산 가능성과 확장성 면에서 가장 유망한 대체 기술로 간주됩니다. 이러한 배터리들은 기존의 생산기술과 환경을 활용하고 조정할 수 있는 "드롭인(drop-in)" 기술로 간주되며, 적어도 향후 10년 동안은 특히 매력적인 선택이 될 것입니다.

즉, 이미 구축된 LIB 생산 인프라를 활용하면서도, 생산 효율성을 높이고 비용을 절감할 수 있는 기술로서 대체 배터리 기술 중 가장 실용적이고 확장 가능한 후보로 보입니다.

 

5. 대체 배터리 기술이 LIB보다 저렴할 수 있을까요?

대체 배터리 기술은 잠재적으로 LIB보다 재료 비용이 낮을 수 있습니다. 대규모 생산기술에서는 재료 비용의 비중이 다른 비용 요소들(예: 에너지, 장비, 노동 등)에 비해 항상 더 큽니다. 예를 들어, 최근 LIB 원자재 가격 상승은 LIB 셀 비용 증가로 이어졌습니다. 대체 배터리 기술의 경우, 초기 비용은 생산 규모가 작기 때문에 LIB보다 더 높을 것으로 예상됩니다. 그러나 생산 규모가 확대되면 비용 절감 효과가 기대됩니다. 따라서 이러한 규모의 경제와 비용 절감을 실현하려면 충분히 큰 시장과 GWh 규모의 응용 분야를 찾는 것이 관건입니다.

 

6. 대체 배터리 기술에 대한 공급망은 어떻게 구축할 수 있습니까?

대체 배터리 기술은 기본적으로 항상 LIB를 기준으로 경쟁할 것이기 때문에, 표준화와 호환성에 대한 방향 설정이 중요합니다. 이는 구성 요소에서 셀, 셀 형식, 배터리 시스템에 이르기까지 기존의 생산 공정에 최대한 가깝게 유지함으로써 특정 응용 분야에서 LIB를 대체할 수 있는 가능성을 열어두는 것을 의미합니다. 이를 통해 기존의 공급망을 유지할 수 있으며, 처음부터 새로 만들 필요가 없습니다. 완전히 새로운 공급망을 구축하는 것은 전용 용도를 가진 기술, 즉 충분히 큰 시장과 응용 분야가 있을 때만 현실적이며, 이는 중장기적인 과제가 될 것입니다.

 

7. 대체 배터리의 잠재적 시장은 얼마나 큰가요?

LIB에 대한 의존도와 그 공급망은 광범위한 응용 분야 덕분에 여전히 높을 것으로 예상되지만, 배터리 시장은 중장기적으로 사용되는 기술 면에서 점점 더 다양화될 것으로 보입니다. 대체 배터리 기술은 전문화된 시장(예: 특정 고정식 저장 응용 분야나 승용차에서 LIB와 결합된 하이브리드 형태)이나 새로운 시장(예: eVTOL)에서 LIB를 보완할 수 있습니다. 이러한 전문화된 시장은 대체 배터리 기술이 진입하고 그 특정 이점을 활용할 수 있는 좋은 기회를 제공하는 것으로 보입니다.

향후 5~10년 내에 여러 GWh 규모의 시장이나 보다 구체적인 응용 분야가 등장할 것으로 예상되며, 이러한 응용 시나리오는 적합한 성능 지표(KPIs)를 가진 특정 대체 배터리 기술에 충분히 큰 기회를 제공할 것입니다. LIB는 대체 배터리 기술이 상용화되기 전까지 이러한 시장의 성장에 기여할 수 있습니다. 그러나 대체 배터리 기술은 미래 배터리 생태계의 일부에 불과할 것이며, LIB는 여전히 중요한 역할을 계속할 것입니다. 또한 고체 전지(SSB)와 같은 다른 새로운 개념들도 부상하고 있습니다.

 

 

 

 

출처: Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (Fraunhofer ISI report)