<2017>리튬-공기전지의 기술 동향 및 상용화 전망

현재까지 소형 IT시장 중심으로 상용화된 이차전지 중 가장 큰 에너지밀도를 지닌 리튬 이온이차전지(Lithium ion battery; LiB) 는 이제는 이론적인 에너지밀도가 한계에 다다른 상황이고, 미래의 중대형 이차전지 시장을 장악하기에는 제한적인 에너지밀도와 안전성 측면에서 기술적 한계점을 가지고 있다. 따라서 리튬이온전지(LiB)의 한계점을 획기적으로 뛰어넘을 수 있는 차세대 혹은 Post-LiB 전지 기술들이 속속 등장하고 있으며, 과거 등장했으나 빛을 보지 못했던 배터리 기술들도 다시 연구되고 주목받고 있다. 대표적인 Post-LiB 후보 기술로는 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지, 전고체 전지 등을 들 수 있다.

일본 NEDO에 따르면 리튬-이온 이차전지의 한계 에너지밀도는 최대 250 Wh/kg이 될 것으로 예상하고 있으며, 본격적인 전기자동차 보급에 필요한 500 km 이상을 주행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 갖는 새로운 형태의 배터리가 개발되어야 하는 상황이며, 여러 후보 기술 중 700 Wh/kg 이상의 에너지밀도를 구현할 수 있는 기술로는 리튬-공기 전지, 아연-공기 전지 등의 금속-공기 전지가 가장 유망하다고 알려져 있다.

금속-공기 전지의 최대 장점은 자연계에 무한히 존재하는 산소를 활물질로 이용하지만 다른 이차전지 대비 매우 높은 이론 에너지밀도를 가지면서 친환경적인 특성도 보유하고 있다는 것이다. 여러 종류의 금속-공기 전지 중 에너지밀도, 전기적 충·방전 가능성 및 기타 전기화학적 특성 비교시, 차세대 전기자동차용 이차전지로는 리튬-공기 및 아연-공기 전지가 가장 유망한 후보군으로 뽑히고 있다. 특히 리튬-공기 전지는 이론 에너지밀도가 11,140 Wh/kg에 달해 13,000 Wh/kg인 가솔린과 유사한 특성을 보이면서 금속-공기 전지 중에서도 가장 큰 에너지밀도의 값을 갖고 있다. 이러한 잠재력 때문에 2000년대 중반부터는 아연-공기 전지보다는 리튬-공기 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

리튬공기전지의 상용화를 위해 극복해야 할 많은 문제들이 산재해 있어 상용화는 다소 시일이 걸릴것으로 전망이 점쳐치고 있지만 다양한 학문 분야의 연구자들의 지식과 전문성이 요구되는 도전적인 분야이다. 최근들어 IBM, Toyota, 삼성전자 등 다수의 글로벌 기업들이 개발 경쟁에 속속 진입하면서 연구 개발 투자가 이어지고 있어서 기존의 리튬이온전지 및 연료전지 분야 기술 역량을 기반으로 적극적으로 연구 개발을 진행할 경우, 기술적 난제를 조기에 해결하고 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

본 보고서에서는 최근 Post-LiB 기술 중 가장 많은 관심을 받고 있는 리튬-공기 전지에 대한 기술 이슈, 요소 기술, 기술 개발동향, 특허 동향 등에 대하여 기술하였다.

본 보고서의 Strong Point는

① 차세대 이차전지의 기술 개발 현황 및 국가별 개발 로드맵

② 리튬-공기 전지의 기술 이슈 및 핵심 요소 기술

③ 금속-공기 전지 및 리튬-공기 전지의 특허 동향

④ 리튬-공기 전지를 개발하고 있는 각 국가별 연구소&기업체의 개발 현황

⑤ 향후 리튬-공기 전지의 응용 분야 및 상용화 전망

등에 대해서 최근(~2016) 까지의 리튬-공기 전지의 기술 개발 동향 정보를 제공하고 있다.

- Contents -

1. 차세대 이차전지의 기술 개발 현황

1.1. 차세대 이차전지 기술개요

1.2. 차세대 이차전지 기술 개발 동향

1.2.1. 리튬-황 전지

1.2.2. 금속-공기 전지

1.2.3. 전고체전지

1.2.4. Mg 이온전지

1.2.5. Na 이온전지

1.3. 국가별 차세대 고에너지밀도 전지 개발 로드맵

1.3.1. 미 국

1.3.2. 일 본

1.3.3. 유 럽

1.3.4. 한 국

2. 리튬공기전지의 이해

2.1. 리튬공기전지의 작동 원리

2.2. 리튬공기전지의 기술 특징

2.3. 리튬공기전지의 핵심 요소 기술

3. 리튬공기전지의 요소 기술

3.1. 전극

3.1.1. 음극

3.1.2. 공기극

3.2. 전해질

3.2.1 비수계 전해질

3.2.2 수계 및 비수계 혼합전해질

3.2.3 무기 고체전해질

3.2.4 고분자 전해질89

3.3 분리막 및 전류집전체

3.3.1 분리막

3.3.2 전류집전체

4. 금속-공기전지의 특허 동향

4.1. 금속-공기 전지 특허 분석

4.1.1 연도별 출원 동향

4.1.2 주요시장국 내외국인 특허출원 현황

4.1.3 출원인 국적별 기술시장력 수준

4.1.4 출원구간별 기술 점유율

4.2. 리튬-공기 전지 기술 특허 동향

4.2.1 기술 분류별 점유율

4.2.2 주요출원인의 출원기술 분포

4.2.3 주요국의 기술 집중 분포도

4.2.4 세부기술별 발전 가능성

4.3. 주요 출원인별 특허 동향

4.3.1 전체 주요 출원인별 특허 동향

4.3.2 구간별 주요 출원인10

4.3.3 기술별 주요 출원인

4.3.4 리튬-공기 전지 상위 출원인별 특허 동향

5. 주요 연구기관 및 기업체의 기술개발 및 사업 동향

5.1. 미국

5.1.1. IBM

5.1.2. Polyplus Battery Company

5.1.3. US Army Research Lab.

5.1.4. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)

5.1.5. Argonne National Laboratory (ANL)

5.1.6. Massachusetts Institute of Technology (MIT)

5.1.7. University of Dayton Research Institute

5.1.8. University of Texas at Austin

5.2. 유럽

5.2.1. University of Oxford (University of St. Andrews ~2014)

5.2.2. University of Rome La Sapienza49

5.2.3. Newcastle University

5.3. 일본

5.3.1. AIST

5.3.2. Toyota社

5.3.3. Mie University

5.3.4. Kyushu University

5.4. 한국

5.4.1. 삼성전자(종합기술원)

5.4.2. 한국에너지기술연구원

5.4.3. 서울대학교

5.4.4. 한양대학교

5.5. 기타

5.5.1. University of Waterloo

5.5.2. Fudan University

6. 리튬공기전지의 응용 분야 및 상용화 전망

6.1. 리튬공기전지의 응용 분야

6.2. 리튬공기전지의 상용화 전망

7. Index

7.1. Figure

7.2. Table