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이차전지와 연료전지가 4차 산업혁명의 핵심 기술로 다시금 주목받고 있다.

이차전지는 고성능화 저비용화를 통해 지금까지 소형 디바이스에 탑재하는 것에서부터 모빌리티를 포함한 ESS 등 대형기기에서의 활용까지 급속도로 발전되어 왔으며, 최근 다시금 많은 관심을 모으고 있다. 한편 이차전지 기술에는 고난이의 사안도 많아, 장기적인 기술 전개도 쉽지만은 않다. 또한 애플리케이션별로 요구되는 사양 및 특성이 크게 다르다는 것 역시 이차전지 기술을 이해하는 데 있어서 장해물이 되고 있다.

이차전지는 종류에 따라 각각 작동 원리, 특징, 과제가 다르기 때문에, 기술을 발전시키는 방법도 이차전지의 종류에 따라 달라진다. 이차전지의 종류를 한정한다 해도 구성하는 재료 및 그 조합 방법에 따라 특성이 크게 좌우되기 때문에 개별적인 기술의 발전에 대해 전망하는 일도 쉽지 않다. 반도체의 접적률이 향상할 것이라고 예측한 무어의 법칙과 같은 경험칙이 축전 기술에 대해서는 존재하지 않는다는 것도 이차전지 기술의 발전을 전망하기 어려운 이유 중 하나이다.

이차전지 기술의 발전에 대해 전망하기는 어렵더라도 자동차의 전기화, 전력 자유화, 재생에너지 및 스마트 커뮤니티의 사회 보급 확대 등으로 인해 향후 이차전지의 역할과 수요가 대폭 확대될 것임은 틀림없는 사실이다. 하지만 모든 용도에서 사용할 수 있는 만능 이차전지는 현재로서는 존재하지 않으며, 용도에 맞는 이차전지의 성능을 더욱더 향상시켜야 한다. 따라서 각국의 산ㆍ관ㆍ학들이 총력을 기울여 연구개발 및 실증 사업을 실시하고 있다.

주요 시장조사기관들의 자료에 따르면, 세계 이차전지 시장은 연평균 20% 이상의 성장률을 보이며, 견고한 성장세를 이어갈 것으로 예측되고 있다.

이차전지 중 ‘차세대 배터리’라 불리는 전고체전지가 드디어 실용화 직전 단계에 접어들었다.

리튬이온 이차전지의 장점을 유지하면서 안전성 및 내환경성을 높일 수 있는 전고체전지는 가연성 전해질을 대신하여 고체이면서 이온의 움직임을 방해하지 않는 재료를 전해질로 이용함으로써 안전성을 높인다. 불연성 재료를 사용하면 발화ㆍ폭발할 가능성이 사라지고, 고체 재료로 음극과 양극의 위치를 고정시켜 분리하면 합선될 가능성도 줄어든다. 이렇게만 되면 지금까지 안전 측면에서 어려움이 있어 이용할 수 없었던 용도로도 활용할 수 있게 된다. 그러므로 현재 전 세계의 기업 및 연구기관들은 전고체전지를 실용화하기 위해 연구개발에 힘쓰고 있다.

전고체전지의 개발과 실용화를 위해 국내 한국전기연구원(KERI), 대구경북과학기술원, 한국생산기술연구원 등에서 연구 성과를 발표하고 있지만, 해외에서는 가장 적극적으로 힘쓰고 있는 회사 중 하나가 도요타 자동차이다. 도요타는 EV용 황화물계 전고체전지를 개발하고 있으며, 2020년대 초에 실용화하겠다는 목표를 세우고 있다. 이미 2019년에 비교적 낮은 출력의 1인승 소형 EV ‘COMS’에 전고체전지를 탑재하여, 실험 주행에 성공하였다.

유럽에서는 엔진 자동차가 폐지될 것을 대비하여, EV의 보급을 촉구하는 ‘EV로의 전환’이라 불리는 움직임이 각국 및 지역 정부와 자동차 산업에 의해 추진되고 있다. EV가 자동차 산업의 주역이 되는 과정에서, 전고체전지와 같은 부가가치가 높은 기술의 존재 여부는 미래의 산업 경쟁력을 강화하는 데 있어 꼭 필요한 일이라 판단하고 있다.

두 번째, 연료전지 시장은 점차 주요국별 보급정책의 범위와 지원 내용이 강화되면서 성장하고 있다. 특히 국내에서는 수소경제 활성화 로드맵 발표로 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 정부가 에너지전환정책의 일환으로 수소경제 정책을 펼치고 있는 가운데 수소경제 내에서 친환경 분산발전원 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 발전용 연료전지는 도심에 위치하는 분산전원에서 대규모 전원으로도 활용이 가능하기 때문에 저공해, 고효율 측면에서 활용도가 높아질 것이다.

일본의 후지경제의 자료에 따르면, 2030년 연료전지 시장은 2018년 대비 22.6배나 커질 것으로 전망되고 있다. 최근 시장은 산업ㆍ업무용 시장의 확대가 견인하고 양대 시장인 미국과 한국에서 도입 인센티브 제도가 기여했다고 분석되고 있다.

마지막으로 태양전지는 대표적인 신재생에너지라고 할 수 있는 태양광 발전의 도입이 확산되는 것이 세계적 추세인 가운데, 연구개발의 중요성이 더욱 증대되고 있으며 에너지 변환 분야에서는 고효율ㆍ저비용의 혁신적 태양전지 개발이 적극적으로 이루어지고 있다.

일분 태양전지에서는 이미 변환효율 약 22%가 달성되고 있지만 앞으로 보다 더 고효율화를 목표로 하는 신소재 개발과 내구성 개선이 중요한 과제가 되고 있다.

이미 이용되고 있는 가정용 태양전지, 태양전지 발전소용 전지와 더불어, 농업용 솔라 셰어링(Solar sharing), 제로에너지빌딩(net Zero Energy Building) 구현, 환경발전이라는 관점에서, 건재 일체형 태양전지, 실내에서 고효율을 실현할 수 있는 태양전지, 전기차(BEV)나 하이브리드 자동차(HEV, PHEV)용 태양전지, 비행기용 태양전지(솔라 임펄스), 히트펌프 등을 활용한 열 수요에 대한 전력 에너지 공급 등의 용도에 따른 태양전지가 요구되고 있다.

이에, IRS글로벌은 주목받고 있는 이차전지, 연료전지, 태양전지 분야에 관심이 있는 기관ㆍ업체의 실무담당자들에게 연구개발, 사업전략 수립의 기초자료를 제공하기 위하여, 본서를 기획하였다.

모쪼록 유용한 정보로 활용되어 미력하나마 전지 관련 산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있는 자료가 되기를 기대해본다.

Ⅰ. 이차전지의 기술개발ㆍ사업화 동향과 향후 전망

1. (전고체)이차전지 시장 동향과 전망

  1-1. 리튬이온전지의 개요

    1) 개념

    2) 원리 및 구조

    3) 생산 공정

    4) 장애 요소

  1-2. 국내외 리튬이온전지 시장 동향과 전망

    1) 글로벌 이차전지 시장규모와 전망

      (1) 이차전지 시장규모 및 전망

      (2) 이차전지 소재별 시장규모 및 전망

    2) 이차전지 소재별 시장 점유율과 서플라이체인

      (1) 양극활물질

      (2) 음극활물질

      (3) 분리막

      (4) 전해질

    3) 주요 애플리케이션별 시장규모와 전망

      (1) 소형(스마트 디바이스용)

      (2) 중형(수송기계용)

      (3) 대형(전력 저장용)

  1-3. 전고체전지 시장 전망과 개발 동향

    1) 글로벌 전고체전지 시장규모 전망

    2) EV에 응용하기 위한 기술개발 동향

      (1) 세계를 변화시킨 리튬이온 이차전지

      (2) 리튬이온 이차전지의 안전성

      (3) 결점을 극복하고 이점을 증가시키는 전고체전지

      (4) 고체 전해질의 특징

      (5) EV용 전고체전지 실용화

      (6) 해외 전고체전지 개발 동향

      (7) 국내 전고체전지 개발 동향

    3) 웨어러블 기기 및 IoT 디바이스에 응용 동향

      (1) 웨어러블 기기의 입지

      (2) 배터리가 안전성과 심미성을 저해

      (3) 리튬이온 이차전지의 단점

      (4) 산화물계 전고체전지

      (5) 산화물계의 에너지 밀도 향상

      (6) 급격하게 발전한 산화물계(안전성ㆍ신뢰성과 대용량)

      (7) 새로운 접근 방식인 반고체 전지

      (8) IoT디바이스에 응용

    4) 향후 연구개발 동향

      (1) 배터리의 용량 확대ㆍ출력 강화

      (2) 전해질의 고체화로 성능 향상

      (3) EV용에 적합한 특성을 가진 Li-S계 이차전지

      (4) 전고체 Li-S계 이차전지 - 전극 재료 모색

      (5) 리튬이온 이차전지의 성능 향상

      (6) MLCC(적층세라믹콘덴서) 기술 활용

2. 차세대 이차전지 개발 동향과 기술 과제

  2-1. 개요

  2-2. 이차전지 애플리케이션별 기술적 요구사항과 현재 상황

    1) 차량 탑재용

      (1) 기술적인 요구사항

      (2) 현재 기술 동향

    2) 전력 저장용

      (1) 기술적인 요구사항

      (2) 현재 기술 동향

  2-3. 차세대 이차전지의 기술 동향

    1) 전고체전지

    2) 차세대 리튬이온 전지

    3) 나트륨 유황 전지

    4) 리튬 유황 전지

    5) 레독스 플로우 전지

    6) 다가 이온 전지

    7) 나트륨 이온 전지

    8) 금속 공기 전지

  2-4. 차세대 이차전지를 실용을 위한 기술적 과제

    1) 양산 기술 개발

    2) 감시ㆍ제어 기술 개발

    3) 계측ㆍ분석 기술 개발

  2-5. 이차전지 애플리케이션별 특허 동향

    1) 소형(스마트 디바이스용)

      (1) 연도별 출원 동향

      (2) 국가별 출원 동향

      (3) 출원인별 출원 동향

    2) 중형(수용기계용)

      (1) 연도별 출원 동향

      (2) 국가별 출원 동향

      (3) 출원인별 출원 동향

    3) 대형(전력 저장용)

      (1) 연도별 출원 동향

      (2) 국가별 출원 동향

      (3) 출원인별 출원 동향

3. 이차전지의 킬러 애플리케이션별 최근 이슈와 시장 전망

  3-1. 스마트 디바이스 분야

    1) 스마트폰

      (1) 시장 동향과 전망

      (2) 2020년 주요 트렌드

    2) 태블릿PC

      (1) 시장 규모

      (2) 주요 업체별 동향

    3) 웨어러블 기기

      (1) 세계 웨어러블 디바이스 시장 동향

      (2) 중국 웨어러블 디바이스 시장 동향

    4) 스마트워치

      (1) 시장 동향

      (2) 주요 업체별 동향

    5) 이어웨어(무선 이어폰)

      (1) 시장 동향

      (2) 주요 업체별 동향

  3-2. 전기차(xEV) 분야

    1) xEV용 이차전지 시장규모 및 업체 점유율

      (1) 시장규모

      (2) 업체 점유율

      (3) 한ㆍ중ㆍ일 주도 현황

      (4) 유럽 시장 확대 전망

      (5) 주요 업체별 대응 동향

    2) xEV용 배터리 밸류체인

    3) xEV 활성화를 위한 향후 과제

      (1) 부족한 천연자원 환경에서 배터리 생산

      (2) 전지의 재활용 및 재사용

      (3) CO2 배출량 : BEV와 ICEV

    4) 글로벌 전기차(xEV) 시장 동향과 전망

      (1) 연도별ㆍ모델별 판매 동향

      (2) 주요국별 판매 동향

      (3) 주요 완성차 업체별 로드맵

    5) 글로벌 전기 상용차 시장 동향과 전망

      (1) 전기버스

      (2) 전기트럭

    6) 국내 전기차(xEV) 시장동향과 전망

      (1) 내수ㆍ수출 규모

      (2) 업체별ㆍ모델별 판매 동향

      (3) 지자체별 전기차 보급 및 보조금 동향

      (4) 중소기업 전기차 출시 동향

      (5) 전기버스 보급 및 시장 동향

  3-3. 에너지저장장치(ESS) 분야

    1) 글로벌 시장규모 전망

      (1) 글로벌 시장규모 전망

      (2) 글로벌 애플리케이션별 시장규모 전망

      (3) 글로벌 기술별 시장규모 전망

      (4) 글로벌 지역별 시장규모 전망

    2) 국내 보급 동향과 시장 전망

      (1) 국내 시장규모 전망

      (2) 국내 애플리케이션별 시장규모 전망

    3) 국내 보급 동향과 문제점

      (1) 국내 ESS 보급 동향

      (2) ESS 화재 사고

      (3) ESS 안전강화 대책

4. 이차전지의 용량ㆍ용도별 기술 이슈 및 개발 동향

  4-1. 소형(스마트 디바이스용)

    1) 최신 기술 이슈

      (1) 소재별 기술 동향

      (2) 소형전지 형태별 동향

    2) 해외 업체별 기술개발 동향

      (1) 파나소닉(PANASONIC)

      (2) 미츠비시화학(MITSUBISHI CHEMICAL)

      (3) 무라타제조(MURATA MANUFACTURING)

      (4) 히타치화학(HITACHI CHEMICAL)

    3) 국내 업체별 기술개발 동향

      (1) LG화학

      (2) 삼성SDI

      (3) SK이노베이션

      (4) 일진머티리얼즈

      (5) 신흥에스이씨

      (6) 에코프로비엠

      (7) 대주전자재료

      (8) 대한유화

      (9) 솔브레인

  4-2. 중형(수송기계용)

    1) 최신 기술 이슈

      (1) 소재별 기술 동향

      (2) EV용 리튬전지 팩 기술 동향

      (3) 리튬전지 팩 열관리 기술

    2) 해외 업체별 기술개발 동향

      (1) 테슬라

      (2) BMZ

      (3) CATL

      (4) PANASONIC

    3) 국내 업체별 기술개발 동향

      (1) LG화학

      (2) 삼성SDI

      (3) 현대자동차

      (4) 포스코켐텍

      (5) HL그린파워

      (6) 코스모신소재

      (7) 대주전자재료

      (8) 톱텍

  4-3. 대형(전력 저장용)

    1) 최신 기술 이슈

      (1) 소재별 기술 동향

      (2) 에너지저장장치(ESS)의 설치 기준 강화

      (3) 이차전지 재사용 기술

    2) 해외 업체별 기술개발 동향

      (1) 파나소닉(PANASONIC)

      (2) 토요타(TOYOTA MOTOR)

      (3) 테슬라(TESLA)

      (4) A123 System

      (5) 비야디(BYD)

      (6) ABB

      (7) 이구아나(EGUANA TECHNOLOGIES)

    3) 국내 업체별 기술개발 동향

      (1) LG화학

      (2) 삼성SDI

      (3) SK이노베이션

      (4) 효성중공업

      (5) 두산중공업

      (6) SK D&D

      (7) 현대에너지솔루션

      (8) 한화에너지

      (9) LS산전

      (10) 코캄

      (11) 톱텍

      (12) 코스모신소재

5. 주요 이차전지별 연구개발 현황과 주요국별 비교

  5-1. 이차전지별 연구개발 동향

    1) 리튬이온전지

    2) 전고체 전지

    3) 금속공기전지

    4) 리튬유황전지

    5) 다가 양이온(Polyvalent Cation) 전지

    6) 레독스흐름전지(Radox Flow Battery)

    7) NAS전지

    8) 슈퍼커패시터

  5-2. 이차전지별 주요 이슈

    1) 리튬이온전지

    2) 전고체 전지

    3) 리튬유황전지

    4) 레독스흐름전지(Radox Flow Battery)

  5-3. 이차전지별 향후 과제

    1) 리튬이온전지

    2) 전고체 전지

    3) 금속공기전지

    4) 리튬유황전지

    5) 다가 양이온(Polyvalent Cation) 전지

    6) 레독스흐름전지(Radox Flow Battery)

    7) 슈퍼커패시터

  5-4. 주요국별 기술개발 현황 비교

    1) 미국

      (1) 기초연구

      (2) 응용연구

    2) 유럽

      (1) 기초연구

      (2) 응용연구

    3) 중국

      (1) 기초연구

      (2) 응용연구

    4) 일본

      (1) 기초연구

      (2) 응용연구

    5) 한국

      (1) 기초연구

      (2) 응용연구

Ⅱ. 연료전지와 수요산업의 향후 전망 및 기술개발 동향

1. 연료전지 기술개발 동향과 시장 전망

  1-1. 연료전지 개요

    1) 연료전지 개념과 원리

      (1) 개념과 개발 이력

      (2) 연료전지 작동원리

    2) 연료전지 시스템 구조

      (1) 개질기(Reformer)

      (2) 스택(Stack)

      (3) 전력변환기(Inverter)

      (4) 주변보조기기(BOP, Balance of Plant)

    3) 연료전지 장단점 및 이차전지와의 차이점

      (1) 연료전지의 장ㆍ단점

      (2) 발전용 연료전지의 장ㆍ단점

      (3) 수소연료전지차로서의 장ㆍ단점

      (4) 이차전지와의 차이점

    4) 연료전지의 분류

      (1) 인산형 연료전지(PAFC)

      (2) 용융탄산염 연료전지(MCFC)

      (3) 고체산화물 연료전지(SOFC)

      (4) 고체고분자 연료전지(PEFC)

  1-2. 국내외 연료전지 시장 동향과 전망

    1) 세계 연료전지 시장 동향과 전망

      (1) 세계 연료전지 시장 동향과 전망

      (2) 용도별 시장 규모 전망

      (3) 지역별 시장규모 전망

      (4) 종류별 시장 전망

    2) 주요국별 수소ㆍ연료전지 활용 동향

      (1) 독일

      (2) 미국

      (3) 중국

    3) 국내 연료전지 시장 동향과 전망

  1-3. 주요국별 연료전지 촉매 연구개발 현황

    1) 주요국별 최근 동향

    2) 주요 분야별 개발동향

      (1) 코어 셸 촉매

      (2) 합금촉매

      (3) 카본계 촉매

      (4) 금속산 질화물

    3) 핵심 기술 과제

    4) 주요국별 기술개발 현황 비교

      (1) 일본

      (2) 미국

      (3) 유럽

      (4) 중국

      (5) 한국

2. 국내외 수소연료전지차 시장 동향과 전망

  2-1. 수소연료전지차 개요

    1) 개념

    2) 분류

    3) 주요 특징

      (1) 장점

      (2) 단점

    4) 구조

      (1) 스택(Stack)

      (2) 운전장치

      (3) 전장장치

      (4) 수소저장장치

    5) 구동원리

    6) 안전성

      (1) 안전관리가 확보된 분야

      (2) 안전성

    7) 수소차와 전기차 비교

  2-2. 국내외 수소연료전지차(FCEV) 시장 동향과 전망

    1) 글로벌 수소연료전지차(FCEV) 시장 동향과 전망

      (1) 주요 지역별ㆍ메이커별 판매 현황

      (2) 보급 및 산업화 전망

    2) 중국 수소연료전지차(FCEV) 시장 동향과 전망

      (1) 연료전지 상용화 추진

      (2) 시장 규모 

      (3) 해외 업체들의 중국 시장 진출 현황

    3) 국내 수소연료전지차(FCEV) 보급 동향과 목표

      (1) 수소승용차

      (2) 수소택시

      (3) 수소버스

      (4) 수소트럭

  2-3. 국내외 수소충전소 구축 동향

    1) 수소충전소 개요

      (1) 개념

      (2) 분류

      (3) 수소 저장 기술

    2) 글로벌 수소충전소 동향

    3) 국내 수소충전소 현황 및 계획

      (1) 구축 현황

      (2) 2022년 계획

      (3) 보급 계획

3. 연료전지 발전 산업 동향

  3-1. 연료전지 생산 및 발전 규모

    1) 생산 실적

    2) 발전량 및 설비용량

      (1) 발전량

      (2) 설비용량

  3-2. 연료전지 산업 현황

    1) 총괄

      (1) 종합

      (2) 에너지원별 현황

    2) 기업체 현황

      (1) 신재생에너지

      (2) 연료전지

    3) 고용인원 현황

      (1) 신재생에너지

      (2) 연료전지

    4) 매출 현황

      (1) 신재생에너지

      (2) 연료전지

    5) 투자 현황

      (1) 신재생에너지

      (2) 연료전지

Ⅲ. 태양전지와 수요산업의 향후 전망 및 기술개발 동향

1. 태양전지 기술개발 동향과 시장 전망

  1-1. 기술 개요

    1) 태양전지의 원리

    2) 태양광발전 시스템의 구성

      (1) 태양전지 셀

      (2) 태양전지 모듈

      (3) 태양전지 어레이

      (4) 접속반

      (5) 분전반

      (6) 파워 컨디셔너(PCS)

      (7) 축전지

    3) 태양전지의 종류

      (1) 결정계 실리콘 태양전지

      (2) 박막계 실리콘 태양전지

      (3) 화합물계 태양전지

      (4) III-V족계 태양전지

      (5) 유기계 태양전지

      (6) 페로브스카이트 태양전지

    4) 태양광 발전 시스템 설치의 종류와 특징

  1-2. 태양전지 연구개발 현황과 향후 과제

    1) 연구개발 개요

    2) 연구개발 동향

    3) 주요 분야별 이슈

      (1) 단결정 Si 태양전지

      (2) 다결정 Si 태양전지

      (3) 박막 Si계열 태양전지

      (4) CIGS 태양전지

      (5) 집광형 태양광발전

      (6) 유기박막 태양전지

      (7) 색소증감형 태양전지

      (8) 페로브스카이트 태양전지

    4) 핵심 과학기술 과제

    5) 주요국별 연구개발 현황 비교

      (1) 미국

      (2) 유럽

      (3) 중국

      (4) 일본

      (5) 한국

2. 국내외 태양광 산업 동향과 향후 전망

  2-1. 글로벌 태양광 발전 시장 및 도입 동향과 전망

    1) 태양광 발전 시장

    2) 태양광 발전 Top 10개국

    3) 교류(AC)ㆍ직류(DC) 표기와 시장 분야

    4) 태양광 발전 시스템 누적 도입량

    5) 태양광 발전 시스템의 지역별 누적 도입량 추이

    6) 태양광 발전량

    7) 정책과 시장 동향

      (1) 경쟁 입찰

      (2) 프로슈머에 관한 시책

      (3) 기존의 태양광 발전소에 불리하고 소급적인 시책

      (4) 반덤핑과 현지산 물품 요건에 관한 정책

    8) 에너지 전환의 태양광 발전

    9) 태양광 제품 가격 동향

      (1) 폴리실리콘 가격 동향

      (2) 태양전지 가격 동향

      (3) 태양광 모듈 가격 동향

  2-2. 국내 태양광ㆍ태양열 산업 및 보급 현황

    1) 국내 신재생에너지 산업 현황

      (1) 총괄

      (2) 기업체 현황

      (3) 고용인원 현황

      (4) 매출 현황

      (5) 투자 현황

      (6) 신재생에너지 설비 설치 가구

    2) 국내 태양광 생산ㆍ발전ㆍ설비 동향

      (1) 생산실적

      (2) 발전실적

      (3) 설비용량

    3) 국내 태양광 수출입 동향