국내외 배터리 업계가 차세대 배터리의 대표 주자인 전고체 배터리 상용화를 향해 기술 개발에 속도를 내고 있다.
전고체 배터리가 주목받는 이유는 다음과 같다. 지금 EV를 비롯하여 폭넓게 이용되고 있는 리튬이온 전지는 전류를 발생시키는 전해질이 액체로, 이러한 전해질 속을 리튬이온이 이동하면서 전류가 발생하는 구조로 되어 있다. 이러한 전해질을 고체로 바꾼 것이 전고체 배터리다.
그저 재료 형태를 바꾸는 것이라고만 생각할 수도 있지만, 그것을 상용화하기는 매우 어려운 과제들을 안고 있다. 그중에서도 특히 전해질로 사용되는 소재를 개발하는 일은 많은 소재 기업과 연구소가 시행착오를 거듭하면서도 좀처럼 실용화에 이르지 못하고 있다. 충/방전을 반복하면서도 변형되지 않고 수명이 길며 수분의 혼입으로 인한 발화의 위험성을 낮추고, 위험한 가스도 발생하지 않게 하는 등 다양한 소재가 연구 개발되고 있다.
전고체 전지의 가장 큰 장점은 압도적인 에너지 밀도다. 적은 용량으로도 충분한 전력을 얻을 수 있고, 크기가 작아서 장소를 차지하지 않는 배터리팩을 겹쳐서 출력을 높일 수 있다. 충/방전 속도도 훨씬 뛰어나다. 즉 작아도 힘이 있고, 작아서 가벼운, 그야말로 자동차에 딱 맞는 특성을 갖추고 있다.
이에, 글로벌 배터리 관련 업체들의 개발 경쟁이 한창이며, 주요국들은 정부 차원의 지원도 아끼지 않고 있다, 토요타와 파나소닉 등 전고체 개발의 선두주자를 보유한 일본은 이미 전고체 전지를 파급력이 가장 큰 기술로 인식하고 산ㆍ학ㆍ연ㆍ관이 힘을 모아 기술 조기 상용화, 2030년 전후 실제 생산에 돌입할 수 있도록 정책적 지원을 강화하고 있다. 중국은 아직 전체적인 국가 계획에 의한 추진이 아직 마련되지 않았지만, 중국 시장의 거대함과 경쟁력을 고려하면, 중국이 전고체 전지 기술 분야에서 리더십을 차지하게 될 가능성도 여전히 크다. 미래 배터리 시장 선점을 두고 각국 경쟁이 치열한 가운데, 우리 정부도 전고체 배터리와 리튬메탈 및 리튬황 배터리 등 3가지의 유망 배터리 개발에 오는 2028년까지 1,172억 원을 투입하기로 했다.
세계 전고체 전지 시장은 2020년 약 6,160만 달러에서 연평균 34.2%의 높은 성장률을 보이며 2027년 약 4억 8,250만 달러의 큰 시장을 형성할 것으로 전망되고 있으며, 이러한 전고체 배터리가 상용화되면, 전기차뿐만 아니라, 웨어러블 디바이스, 드론 및 에너지저장장치 분야까지도 폭발적으로 확대될 것이 분명해 보인다.
이에, IRS글로벌은 전고체 배터리 및 고체전해질의 기술개발 동향 및 전망뿐만 아니라 국내외 정책과 선도기업의 사업전략 등을 종합적으로 조사 분석하여 본서를 출간하게 되었다. 모쪼록 본 보고서가 관련 산업 종사자뿐만 아니라 관련 분야에 관심을 갖고 계시는 모든 분들의 업무에 미력하나마 도움이 되길 바란다.
목차
Ⅰ. 이차전지 국내외 시장 동향과 전망
1. 이차전지 기술개발 동향과 시장 전망 1-1. 글로벌 이차전지 소재별 기술개발 동향과 이슈 1) 양극재 2) 음극재 3) 분리막 4) 전해질 5) 도전재 6) 바인더 1-2. 주요 이차전지별 연구개발 동향 1) 리튬이온 전지 2) 리튬 금속 전지 3) 리튬 전이금속 산화물 전지 4) 리튬 유황 전지 5) 리튬 공기 전지 6) 리튬 전고체 전지 7) 그 밖의 캐리어를 사용하는 전지 1-3. 이차전지별 주요 이슈 1) 리튬이온 전지 2) 리튬금속 전지 3) 전고체 전지 4) 기타 전지
2. 이차전지 국내외 시장 동향과 전망 2-1. 글로벌 이차전지 시장 동향과 전망 1) 용도별 시장 전망 2) 종류별 시장 전망 3) 국가별 시장 전망 4) 리튬이온전지 가격 동향 2-2. 이차전지 소재별 시장점유율과 서플라이체인 1) 소재별 시장규모 및 전망 2) 양극재 분야 3) 음극재 분야 4) 분리막 분야 5) 전해액 분야 6) 도전재 분야 7) 바인더 분야 2-3. 인플레이션 감축법(IRA, Inflation Reduction Act) 1) 미국 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act of 2022) 개요 2) IRA 법안의 목적 3) IRA 전기차 관련 법안 내용 4) IRA FEOC(해외우려집단) 세부 규정 발표에 대한 대응 5) IRA 발효가 국내 자동차 산업에 미치는 영향 6) IRA 발효가 국내 이차전지 산업에 미치는 영향 7) IRA의 글로벌 영향 (1) 중국 (2) 일본 (3) 대만 (4) 캐나다 (5) 멕시코 (6) 유럽연합 8) IRA 대응 방안
Ⅱ. 전고체 전지 및 고체전해질 기술개발 동향과 시장 전망
1. 전고체 전지 기술 개요 및 시장 전망 1-1. 전고체 전지 기술 개요 1) 개념 2) 리튬이온전지와의 비교 3) 구조 및 구성요소 4) 장단점 (1) 장점 (2) 단점 5) 개발 과정의 문제점 (1) Anode interface : Dendrite (2) Cathode interface : Mismatch (3) Electrolyte synthesis & discovery (4) Cell fabrication 6) 종류 (1) 황화물계(Sulfide) (2) 산화물계(Oxide) (3) 폴리머계(Polymer) (4) 기타 전해질 7) 제조 공정 (1) Componets Mixing (2) Layer Forming (3) Layer compaction 8) 용도 1-2. 글로벌 전고체 전지 시장규모 전망 1) 글로벌 시장 동향 및 전망 2) 용도별ㆍ지역별 시장규모 전망 3) 가격 전망 4) 전고체 전지 스타트업의 업계 지도와 자금 조달 랭킹 (1) 전고체 전지의 업계 지도(카오스맵) (2) 전고체 전지 스타트업의 자금 조달 금액 랭킹 (3) 업계의 M&A (4) 주요 전고체 전지 스타트업 (5) 전고체 전지 분야에 적극적인 VC, PE 펀드 및 전략적 투자가 5) 전고체전지 특허 동향 (1) 국가별/기업별 출원 동향 (2) 주요 특허 6) 전고체 전지 표준 경쟁
2. 주요국별 전고체 전지 및 고체전해질 개발 동향과 대응 전략 2-1. 주요국별 전고체 전지 개발 및 정책 동향 1) 일본 (1) 축전지산업전략 (2) NEDO-전고체 전지의 실용화 촉진을 위한 연구개발 시작 (3) 토요타 (4) 혼다자동차 (5) 닛산자동차 2) 중국 (1) 전고체 배터리 산학연 협동 혁신 플랫폼(CASIP) 출범 (2) 전고체 전지 특허 출원건수가 선두 (3) 광저우 자동차 그룹 : 전고체 전지 2026년 탑재 (4) BYD : 전고체 전지 2030년 양산화 (5) 반고체 배터리에 집중 3) 독일 (1) 전고체 배터리 역량 클러스터 사업 연장 (2) 폭스바겐 + PowerCo : 전고체 전지 2030년 양산 (3) BMW + Solid Power 4) 한국 (1) 전고체 전지 상용화에 2030년까지 20조 투자 (2) 삼성SDI (3) LG에너지솔루션 (4) SK온 2-2. 고체전해질 종류별 기술 과제와 해결 방안 1) 고체전해질 개요 및 기술 이슈 (1) 개요 (2) 기술 이슈 (3) 주요 개발 동향 2) 황화물 고체전해질 (1) 개요 (2) 장점 (3) 종류 (4) 황화리튬 (5) 황화물계 전고체 전지의 주요업체 개발 경쟁 (6) 기술 과제와 해결 방안 3) 산화물 고체전해질 (1) 개요 (2) 장점 (3) 종류 (4) 기술개발 이슈 (5) 기술 과제와 해결 방안 4) 폴리머 고체전해질 (1) 개요 (2) 장단점 (3) 개발 현황 (4) 기술 과제와 해결 방안 2-3. 고체전해질 종류별 개발 사례 1) 황화물계 (1) 한국 (2) 일본 2) 산화물계 (1) 한국 (2) 일본 3) 기타 (1) 한국 (2) 일본
3. 전고체 전지의 수요시장 동향과 전망 3-1. 전기차(xEV) 시장 동향과 전망 1) 전기차(BEVㆍPHEV) 시장 동향과 전망 (1) 연도별 시장규모 전망 (2) 지역별 시장규모 전망 (3) 주요국별 시장규모 전망 (4) 평균 가격 2) 배터리 전기차(BEV) 시장 동향과 전망 (1) 연도별 시장규모 전망 (2) BEVㆍPHEV 판매 비중 (3) 대륙별 시장규모 전망 (4) 국가별 시장규모 전망 (5) 아메리카 시장 (6) 유럽 시장 (7) 아시아 시장 (8) 호주 & 오세아니아 시장 (9) 대륙/국가별 평균 판매가격 (10) 브랜드 매출 점유율 3) 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 시장 동향과 전망 (1) 연도별 시장규모 전망 (2) BEVㆍPHEV 판매 비중 (3) 대륙별 시장규모 전망 (4) 국가별 시장규모 전망 (5) 아메리카 시장 (6) 유럽 시장 (7) 아시아 시장 (8) 호주 & 오세아니아 시장 (9) 대륙/국가별 평균 판매가격 3-2. 드론(Drone) 시장 동향과 전망 1) 연도별 시장규모 전망 2) 드론 판매 비중 3) 대륙별 시장규모 전망 4) 국가별 시장규모 전망 5) 대륙/국가별 평균 판매가격 6) 브랜드 매출 점유율 3-3. ESS(에너지저장장치) 시장 동향과 전망 1) 글로벌 시장 2) 주요국별 ESS 정책 추진 동향 (1) 미국 (2) 중국 (3) 일본 (4) 유럽 (5) 호주 (6) 인도 3) 국내 ESS 설치 및 시장 현황 (1) 설치 규모 (2) 시장 현황 (3) 산업 생태계 3-4. 웨어러블 디바이스 시장 동향과 전망 1) 전고체 전지로 인한 이노베이션 (1) 개요 (2) 산화물계 전고체 전지 (3) 新접근방식인 반고체 전지 (4) IoT 디바이스에도 운영 2) 글로벌 시장 전망 3) 분야별 시장 전망 4) 공급업체별 실적 및 점유율 5) 소비(Consumption) 동향 6) XR 디바이스(XR devices)
Ⅲ. 전고체전지 종류별 연구개발 및 특허 동향 분석
1. 황화물계 전고체 전지 연구개발 및 특허 동향 분석 1-1. 연구개발 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 연구 동향 3) 유형별 연구의 수 4) 인용 상위 연구 5) 주제 분석 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 연구 주제별 평균 인용 수 8) 연도별 평균 인용 수 9) 주요 학술지 10) 주제별 전망 11) 오픈엑세스 저널 비율 12) 펀딩연구의 비율 13) 주요 펀딩 기관 1-2. 특허 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 특허 동향 3) 국가별 출원 동향 4) 기업별 출원 동향 5) 인용 상위 특허 (1) Method of preparing sulfide-based solid electrolyte ~ (2) Sulfide solid electrolyte material, battery ~ 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 주제 분석 8) 평균 인용 수 9) 주제별 전망
2. 산화물계 전고체 전지 연구개발 및 특허 동향 분석 2-1. 연구개발 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 연구 동향 3) 유형별 연구의 수 4) 인용 상위 연구 5) 주제 분석 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 연구 주제별 평균 인용 수 8) 연도별 평균 인용 수 9) 주요 학술지 10) 주제별 전망 11) 오픈엑세스 저널 비율 12) 펀딩연구의 비율 13) 주요 펀딩 기관 2-2. 특허 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 특허 동향 3) 국가별 출원 동향 4) 기업별 출원 동향 5) 인용 상위 특허 (1) Transition metal oxide containing solid solution lithium, ~ (2) Solid oxide battery 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 주제 분석 8) 평균 인용 수 9) 주제별 전망
3. 폴리머계 전고체 전지 연구개발 및 특허 동향 분석 3-1. 연구개발 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 연구 동향 3) 유형별 연구의 수 4) 인용 상위 연구 5) 주제 분석 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 연구 주제별 평균 인용 수 8) 연도별 평균 인용 수 9) 주요 학술지 10) 주제별 전망 11) 오픈엑세스 저널 비율 12) 펀딩연구의 비율 13) 주요 펀딩 기관 3-2. 특허 동향 분석 1) 분석절차 2) 연도별 특허 동향 3) 국가별 출원 동향 4) 기업별 출원 동향 5) 인용 상위 특허 (1) Alkaline battery cathode with solid polymer electrolyte (2) Battery having aluminum anode and solid polymer electrolyte 6) 주요 단어 및 네트워크 분석 7) 주제 분석 8) 평균 인용 수 9) 주제별 전망
Ⅳ. 주요 업체별 전고체 전지 개발 동향과 사업 전략
1. 완성차 업체 1-1. 일본 1) 토요타(TOYOTA) 2) 닛산자동차(Nissan Motor) 3) 혼다(Honda) 1-2. 미국 1) GM(General Motors) 2) 포드(Ford) 1-3. 독일 1) 폭스바겐(Volkswagen) 2) 메르세데스-벤츠 그룹(Mercedes-Benz Group) 3) BMW 1-4. 중국 1) BYD(比亚迪股份有限公司) 2) 상하이 자동차(SAIC, 上海汽车集团股份有限公司) 3) 니오(Nio, 蔚来) 1-5. 한국 1) 현대자동차 그룹(Hyundai Motor Group)
2. 배터리 제조사 2-1. 일본 1) 파나소닉 홀딩스(Panasonic Corporation) 2) 막셀(MAXELL) 3) GS 유아사(GS Yuasa) 4) 무라타 제작소 2-2. 한국 1) LG에너지솔루션(LG Energy Solution) 2) 삼성SDI(Samsung SDI) 3) SK온(SK On) 2-3. 중국 1) CATL(宁德时代, Contemporary Amperex Technology) 2) 간펑 리튬(Ganfeng Lithium) 2-4. 유럽 1) 노스볼트(Northvolt)
3. 스타트업 3-1. 미국 1) 솔리드 파워(SolidPower) 2) 퀀텀스케이프(QuantumScape) 3) SES AI(舊, 솔리드에너지시스템) 4) 팩토리얼 에너지(Factorial Energy) 5) 24M 테크놀로지스(24M Technologies) 6) 엔파워 그린테크(Enpower Greentech, 恩力动力科技有限公司) 3-5. 유럽 1) 블루 솔루션(Blue Solutions) 2) 일리카 테크놀로지스(Ilika Technologies) 3-3. 중국 1) 프롤로지움 테크놀로지(ProLogium Technology) 2) 웨이란신에너지(北京卫蓝新能源科技) 3) GTC-POWER(高能时代(珠海)新能源科技有限公司) 4) 탤런트신에너지(太蓝新能源, TALENT NEW ENERGY) 5) 칭다오 에너지 개발(QingTao Energy Development)
4. 고체전해질 개발 기업 4-1. 해외 1) 앰프세라(Ampcera) : 미국 2) 미쓰비시 머티리얼(三菱マテリアル) : 일본 4-2. 국내 1) 이수스페셜케미컬 2) 에코프로비엠(ECOPRO BM)
5. 연구기관 5-1. 해외 1) 도호쿠 대학ㆍ나고야 대학ㆍ파인세라믹센터ㆍ고휘도광과학연구센터 등의 연구팀 : 일본 2) 이화학연구소ㆍ분자과학연구소ㆍ고에너지 가속기 연구기구ㆍ파인 세라믹스 센터ㆍJ-PARC 센터의 공동 연구 그룹 : 일본 2) 산업기술종합연구소(AIST, 産業技術総合研究所) : 일본 4) 아이멕(Imec) : 벨기에 5-2. 국내 1) 한국기초과학지원연구원(KBSI)
6. 기타 1) 산시 Huineng 기술 유한 회사(山西辉能科技有限公司) : 중국 2) 히타치 조선(Hitachi Zosen) : 일본 3) 万向A123(Wanxiang Group) : 중국