<2024> 수계 이차전지 기술개발 현황 및 전망
전 세계가 화석 연료에서 벗어나야 하는 긴급한 필요성과 씨름하고 있는 가운데, 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지원이 점점 더 보편화되면서 지속 가능한 에너지저장 기술이 끊임없이 진화하는 환경에서 업체들은 효율적이고 환경 친화적인 솔루션을 끊임없이 찾고 있으며, 수계 배터리라는 새로운 유망 솔루션이 등장했다.
2023년말 현재 글로벌 재생에너지 용량은 2,600GW 이상에 달할 것이며 이는 글로벌 총 발전용량의 거의 30%에 달할 것으로 예측되고 있다. 리튬이온 배터리와 같은 배터리 저장 시스템은 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지원의 간헐성을 완화하는 데 중요한 역할을 하며, 예를 들어, 발전량이 많을 때 잉여 에너지를 저장했다가 수요가 높거나 발전량이 적을 때 방출함으로써 이를 통해 안정적인 전력 공급이 보장된다.
수계 배터리는 전원 배터리의 안전 문제를 해결할 것으로 예상되며, 현재 에너지밀도는 75Wh/kg에 불과해 상대적으로 낮지만, 앞으로는 새로운 나노물질을 전극에 적용해 에너지 밀도를 높일 예정이며, 향후 ~10년 안에 리튬이온 배터리의 일부분을 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 상대적으로 낮은 에너지 밀도로 인해 자동차 및 기타 분야의 고에너지 밀도 배터리에 대한 수요를 충족시키기 위해서는 성능을 더욱 향상시켜야 한다.
리튬이온 배터리의 공급망에 대한 중요성과 지정학적 리스크가 커진 상황에서 미국·EU는 공급망 재편을 위한 정책과 전략을 적극 수립 중이다. 세계적 트렌드에 발맞춰 한국 정부도 23년 하반기 이차전지 전략로드맵을 공개하고 기존 소재를 대체하는 전극 소재·고체 전해질 등 핵심 원천기술 확보에 나섰다. 특히 ‘게임 체인저’가 될 수 있는 리튬공기전지, 수계아연전지, 다가이온전지, 해수전지 등 ‘차차세대’ 원천기술 확보를 적극 지원할 계획이다.
수계이온 배터리 가운데 Ni-MH, Ni-Fe, Ni-Zn, Zn-Br등 이미 상업화가 된 전지가 있으나, 본 리포트는 Ni계는 제외하고 수계 리튬배터리, 수계 아연전지, 다가이온전지, 해수전지 등 차차세대 전지에 집중하여 기술하고자 한다.
Ni-MH전지의 경우, 바이폴라형 니켈-수소 전지는 도요타 자동차와 도요타 자동직기에서 공동 개발하여, 2021년 7월 발매된 도요타 「아쿠아」의 구동용 배터리로서 채용하고 있고, 2022년에는 Lexus 브랜드인 「RX」나 도요타 「크라운」에서도 채용이 정해졌다. 도요타 자동직기는 제2공장에서 바이폴라 배터리를 생산함으로써 향후 수요 확대에 대응한다.
수계 이온 배터리 기술의 큰 진전은 water-in-salt 전해질의 적용이라고 볼 수 있다. 고농도 전해질 개념이 제안되면서 수계 기반 전해질의 전기화학 안정창을 현격히 높이는 기술이 개발되면서, 고전압 고에너지밀도의 수계 이차전지 개발의 전망을 밝게 하고 있다.
예를 들어, 2016년 개발된 Hydrate melt기술의 경우, 2종류의 리튬염을 일정한 비율로 혼합하고, 소량의 D.I water를 첨가하는 것만으로 액체화하는 것으로 일반적인 수계 수용액의 2V이하, 100Wh/kg이 한계였지만, hydrate melt를 전해액으로 사용한 경우, 전압이 2.4~3.1V, 에너지밀도 100Wh/kg을 크게 상회하며, 거의 10C에 해당하는 6분 이하의 초고속 충방전이 가능한 것이 밝혀졌으며 유기 전해액을 이용한 시판 리튬이온 배터리와 동등 수준을 실현하였다.
최근에는 soluble PEG를 적용한 전해질의 도입으로 대부분의 리튬 양극재를 적용 가능하고 음극도 바나듐계, 황화물계, 망간계 등 선택의 폭이 넓어지고 안정 전위창도 3.2V까지 확대되었다.
한편, 수계 이온전지의 시장은 ‘18년 약 6230만 USD에서 ‘28년 5.78억 USD로 CAGR 25%로 성장할 것으로 전망되고 있다.
본 리포트에서는 water in salt 전해질의 적용으로 물의 분해전압을 넘어 3V까지 적용이 가능한 최근의 기술개발현황과 상용화를 위한 기술개발이 한창인 수계 아연전지, 해수전지, 다가이온전지의 현황을 자세하게 수록하였고, 각국의 프로젝트와 프로그램을 소개하여 각국의 대응현황을 수록하였다.
본 보고서의 Strong Point는 다음과 같다.
① 수계이차전지를 둘러싼 최근의 기술 동향을 상세히 수록
② 수계리튬전지, 수계아연전지 업체들의 기술개발 및 동향을 상세히 수록
③ 각국의 수계전지개발 프로그램∙프로젝트 수행 현황 소개
목 차
1. 수계 이차전지 개요 6
2. 수계 아연 이차전지 12
2.1. 서론 12
2.2. 양극 기술 16
2.2.1. 망간(Mn)계 양극 18
2.2.2. 바나듐(V)계 양극 30
2.2.3. 프러시안 블루 유사체(Prussian blue analogues) 양극 33
2.2.4. 황화물계 양극 34
2.2.5. 유기계 양극 35
2.3. 음극 기술 36
2.3.1. 아연의 배위 환경 조절 기술 36
2.3.2. 계면 전기장의 균일성 확보 46
2.3.3. 아연 전착 유도 50
2.3.4. 아연 분말 전극 58
2.4. 전해질 및 분리막 기술 59
2.4.1. 알칼라인 전해질 60
2.4.2. 중성 및 약산성 전해질 61
2.4.3. 전해질 첨가제 66
2.4.4. 겔 전해질(준고체 전해질) 68
2.5. 수계 아연-할로겐 이차전지 75
2.5.1. 아연-브로민 전지 76
2.5.2. 아연-아이오딘 전지 77
2.6. 전지(셀) 기술 85
2.6.1. 일반 static 형 전지 85
2.6.2. 흐름(flow-type) 전지 89
3. 해수 전지(Sea water battery) 93
3.1. 개요 93
3.2. 서론 93
3.3. 전극 기술 96
3.3.1. 양극 기술 96
3.3.2. 집전체 96
3.3.3. 전기촉매제 97
3.3.4. 음극 기술 98
3.3.5. 전해질 및 분리막 기술 101
3.4. 셀 제작 105
3.5. 셀 및 모듈 개발 106
3.6. 해수전지 연구동향 115
4. 수계 리튬이차전지 122
4.1. 양극 기술 124
4.1.1. Mn-based oxides 124
4.1.2. Layered lithium oxides 126
4.1.3. Polyanionic compounds 127
4.1.4. Prussian blue analogues 128
4.1.5. Other compounds 130
4.2. 음극 기술 131
4.2.1. Vanadium-based compounds 131
4.2.2. Polyanionic materials 134
4.2.3. Organic electrode materials and others 137
4.3. 전해질 기술 139
4.3.1. 고농도 전해질 기술 (water-in-salt) 139
4.3.2. 그 외 일반 전해질 기술 141
4.4. 주요 전극 요소 기술 144
4.4.1. 집전체 144
4.4.2. 바인더 144
5. 수계 나트륨 및 다가 이온 이차전지 145
5.1. 수계 나트륨 이차전지 145
5.1.1. 전극 활물질 146
5.1.2. 전해질 147
5.2. 수계 칼륨 이차전지 148
5.3. 수계 다가 이온 이차전지 150
5.3.1. 마그네슘 이차전지 150
5.3.2. 알루미늄 이차전지 152
5.3.3. 칼슘 이차전지 153
5.4. 수계 비금속 이차전지 154
5.5. 수계 듀얼-이온 (dual-ion) 이차전지 158
6. 수계 이차전지 현재 및 미래 161
6.1. 수계 리튬이온전지 161
6.2. 수계 나트륨이온전지 166
6.3. 수계 칼륨이온전지 170
6.4. 수계 마그네슘이온전지 174
6.5. 수계 칼슘이온전지 179
6.6. 수계 알루미늄이온전지 184
6.7. 수계 흐름전지 187
7. 업체 및 기관 동향 193
7.1. Guangzhou Zhuoyue Electric Power Technology (Zn계) 193
7.2. Hanshu Technology (Zn계) 194
7.3. 중국과학원 대련화학물리연구소 (Zn계) 195
7.4. 일본 촉매 (Zn계) 196
7.5. 일본 가이시 (Zn계) 200
7.6. 미쓰이금속 (Zn계) 204
7.7. Enzinc (USA) (Zn계) 207
7.8. Enerpoly(Sweden) (Zn계) 209
7.9. Urban Electric Power(USA) (Zn계) 211
7.10. ZincFive(USA) (Zn계) 216
7.11. AEsir Technologies(USA) (Zn계) 218
7.12. Imprint Energy(USA) (Zn계) 221
7.13. Printed Energy(USA) (Zn계) 223
7.14. Salient Energy(Canada) (Zn계) 227
7.15. Fuji BRIDEX(Singapore) (Zn계) 229
7.16. 우리해양㈜ (Na계) 232
7.17. 한국해양과학기술원(KIOST) (Na계) 234
7.18. Blue Sky Energy(Austria) (Na계) 236
7.19. Shenzhen Sea Energy Power(China) (Na계) 237
7.20. Salgenx(USA) (Na flow계) 238
7.21. Polyplus(USA) (Na계) 241
7.22. ZELOS Energy(USA) (Zn계) 242
7.23. E-Zinc(Canada) (Zn flow계) 244
7.24. EOS Energy Storage(USA) (Zn계) 245
7.25. Toshiba (Li계) 248
8. 수계 이차전지 프로젝트∙프로그램 254
8.1. 일본 NEDO: 차세대 연구개발 이니셔티브3 254
8.2. EU: LOLABAT (LOng LAsting BATtery) 260
8.3. EU: ZBI2 Zincmate Project 263
8.4. 일본 NEDO: 혁신형 축전지 개발(1) 264
8.5. 일본 NEDO: 혁신형 축전지 개발(2) 265
8.6. 한국에너지기술평가원: 해수이차전지 266
8.7. 과학기술정보통신부: 수계 아연전지(1) 267
8.8. 과학기술정보통신부: 수계 아연전지(2) 268
8.9. 과학기술정보통신부: 수계 아연전지(3) 269
8.10. 미국 DOE Long Duration Energy Storage(LDES) 270
9. 수계 이차전지 동향 및 시장전망 277
9.1. 수계 이차전지 시장전망 277
9.2. 수계 아연전지 시장전망 279
9.3. 해수전지 시장전망 281
10. References 283