리튬이차전지용 파우치

리튬이차전지용 파우치

이차전지 파우치 소재

IT, 모바일을 비롯하여, 급격하게 성장중인 EV, ESS 산업의 핵심기술인 리튬이차전지는 한, 중, 일 3국간 경쟁구도 속에서 미래의 생존을 건 치열한 경쟁이 진행 중이며, 국가전략 차원에서 기술경쟁력 확보를 위한 노력을 진행 중인 분야임. 이를 위해 리튬이차전지에 사용되는 소재의 제조 및 생산기술에 대한 필요성과 중요성이 크게 대두되고 있으며, 리튬이차전지용 4대 핵심소재(양극재, 음극재, 분리막, 전해액)는 물론, 포장용 소재(파우치)에 있어서도 핵심기술 확보를 위한 경쟁이 치열하게 전개되고 있는 상황임
이차전지 파우치는 이차전지를 보호하는 최종 포장재로 일본 DNP社가 시장을 선점하여 세계시장에 90%이상 공급 중. 국내 기업은 수년간 개발을 시도해 Lab Size 수준 생산은 다소간 성과를 거두고 있으나 양산 단계에서 안정적 품질 구현과 국내 이차전지 제조업체 적용에는 어려움을 겪고 있음
이차전지 파우치의 핵심 품질 특성 4가지
- 성형성: 성형시 금속층에 Crack 없이 충분한 Forming Depth가 구현되야 하며 이에 따라 전지의 에너지 밀도가 결정됨
- Sealing성: 이차전지의 생산성을 결정하고 안정성 확보
- 절연저항: 투습/투기 방지를 위한 AL을 전기전도로부터 보호
- 내전해성: 내부 전해질로부터 AL을 보호

개발 대상 기술 · 제품의 중요성

리튬이차전지 파우치는 모바일 IT용 소형 이차전지뿐만 아니라 ESS, 전기자동차와 같은 중대형 이차전지의 핵심 부품 소재로서 최근 일본의 대외 수출 규제가 대두 되고 있는 상황 및 한·중 FTA 체결에 따라 양국간 활발한 수출입이 예상되는 이차전지 부품 시장에서 한국이 기술적 우위를 갖기 위해 반드시 필요한 부품 소재 기술임.
또한 전력저장 및 전기자동차 시장의 확대 가능성으로 인하여 파우치 형태의 리튬이차전지 시장은 급격한 증가가 예상되며 리튬이차전지를 보호하는 기능을 가지고 있는 Al 파우치 외장재 시장 또한 급격한 증가가 예상됨
리튬이차전지 4대 핵심소재의 경우 국내 소재업체들의 활발한 연구를 통해 국산화율이 매우 높아졌으나 Al 파우치와 같은 부품은 전량 일본업체(쇼와 덴코, DNP)로부터 수입하여 사용하고 있음 (DNP는 LG화학, SK이노베이션 등 국내 전지업체에 소형 모바일 IT 기기용, 자동차 및 ESS 폴리머전지용 Al 파우치를 납품하고 있음)
국내에서도 Al 파우치의 국산화를 위해 율촌화학 및 비티엘 첨단소재 등이 다년간 Al 파우치 기술 개발 및 국산화에 노력을 기울이고 있으나 정부과제의 부재 및 중소기업의 투자 한계로 기술 수준 및 시장 점유율은 일본 기업에 뒤쳐져 있는 상황임
리튬이차전지 기술 개발 과제의 경우 4대 핵심소재 개발에 집중되어 있을 뿐 Al 파우치와 같은 부품개발 분야에는 투자가 부진한 상황임

 

설명한 바와 같이 리튬이차전지용 Al 파우치는 일본 의존도가 매우 높은 부품이기 때문에 최근 일본의 대외 수출 규제가 대두 되고 있는 상황에서 관련 분야의 기술력 확보 및 국산화가 이루어지지 않을 경우 국내 리튬이차전지 제조업체에 큰 혼란을 야기 시킬 수 있을 것으로 예상되기 때문에 기술 개발 및 국산화가 시급한 실정임 특히 EV용 파우치는 일본의 전세계 점유율 100%로, 향후 수요 급증에 대비가 필요한 상황임 (‘19년 0.7억m2→’22년 2.3억m2, 수요기업예측)

 

국내 · 외 기술과 시장 현황(리튬이차전지)

 

리튬이차전지의 세계 시장 점유율을 보면 소형전지를 기준으로 국내 리튬이차전지 제조업체인 삼성SDI와 LG화학이 세계 1, 2위를 차지하고 있으며 기술력 및 경쟁력에 있어서도 최고수준을 유지하고 있음. 소형 리튬이차전지시장의 경우 과거 몇 년간 스마트폰, 태블릿PC 등 스마트기기 시장의 지속적인 성장으로 괄목할만한 성장을 이루어 왔음. IT/모바일 시장의 성장은 관련 생산 및 제조라인이 밀집한 중국시장의 성장과 함께 중국의 리튬이차전지 시장을 견인함. 그러나 최근 들어 IT/모바일 시장의 성장 둔화와 함께 소형전지업체의 난립으로 인해 관련 리튬이차전지시장은 어려움을 겪고 있는 상황이며 한국의 전지 메이커의 경우도 치열한 시장가격경쟁으로 인해 소형 전지시장에서 선두유지에 어려움을 겪고 있는 상황임. 소형 리튬이차전지시장의 경우 과거 몇 년간 스마트폰, 태블릿PC 등 스마트기기 시장의 지속적인 성장으로 괄목할만한 성장을 이루어 왔음. IT/모발일 시장의 성장은 관련 생산 및 제조라인이 밀집한 중국시장의 성장과 함께 중국의 리튬이차전지 시장을 견인함. 그러나 최근 들어 IT/모바일 시장의 성장 둔화와 함께 소형전지업체의 난립으로 인해 관련 리튬이차전지시장은 어려움을 겪고 있는 상황이며 한국의 전지 메이커의 경우도 치열한 시장가격경쟁으로 인해 소형 전지시장에서 선두유지에 어려움을 겪고 있는 상황임 중대형 리튬이차전지시장의 경우 전기자동차(xEV)용 시장과 에너지저장장치(ESS)용 시장으로 나눌 수 있음. 리튬이차전지의 적용분야가 과거 IT, 모바일산업 분야에 치우쳐있던 것과는 달리, 최근에는 전기자동차, 에너지저장시스템 등 다양한 산업분야에 걸쳐 확대되고 있는 추세임. 특히 중국의 경우 정부의 지원정책을 바탕으로 전기자동차 시장의 성장에 따른 관련 리튬이차전지시장의 성장을 견인하고 있음. 전기자동차용 리튬이차전지 시장은 최근 세계 탄소규제 정책과 자동차 배기가스 규제에 따른 전기자동차시장의 성장과 더불어 크게 성장하고 있는 추세임. 세계 각국의 전기자동차 지원정책과 함께 최근 가파른 성장세를 보임. 특히 중국정부의 강력한 지원정책에 힘입어 최근 중국내 전기자동차용 리튬이차전지업체의 성장은 한국 리튬이차전지업체의 입지를 크게 위협하고 있는 상황임 리튬이차전지시장은 향후 소형(IT/모바일용) 전지시장의 치열한 경쟁이 예상되며 중대형(전기자동차, 에너지저장장치) 전지시장은 점차 시장이 커질 것으로 전망됨. 전기자동차 보급의 확대가 예상되는 시점에서 전기자동차에 사용되는 중대형 리튬이차전지는 기존 소형리튬이차전지와 달리 대형화, 저가화, 고신뢰성, 안정성이 크게 요구됨 한편 중대형 리튬이차전지 시장의 다른 한축으로써 에너지저장장치용 리튬이차전지가 주도 기술로 부상할 것으로 예상됨, 국내 주요 리튬이차전지 업체인 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션, (주)코캄 등이 에너지저장산업에 참여
에너지저장장치 시장에 있어 국내업체는 미국, 유럽 등 여러 국가에 설치가 가능한 기술을 보유 중 이며, 현재
에너지저장장치 시장 선두로서 매김, 리튬이차전지 제조 기술에 있어서는 최고 수준 기술 보유 중이나 원천기술
및 부품소재 기술은 상대적으로 일본에 열세임

국내 · 외 기술과 시장 현황(리튬이차전지 파우치 소재)

리튬이차전지 파우치는 전체 전지가격의 11.5%를 차지하며, 매년 16%의 높은 성장률을 보여 2015년 0.7조원의
세계시장규모에 이르고 있음
이차전지 파우치의 산업적 응용분야는 이차전지를 중심으로 주요 응용분야인 휴대폰, 테블릿, 노트북, 전동기기,
전기자전거 및 스쿠터 외에도 장수명, 고출력 특성을 요구되는 전기차 및 전기에너지저장(Electrical Energy
Storage, EES)장치로 확대되고 있음. 이를 위해서는 경쟁기술 대비 수명특성과 고출력 특성에 대한 기술적
우위와 대형전지 성능검증, 가격경쟁력확보가 선행되어야 하며, 이를 위한 기술적 선결조건으로는 고성능,
고신뢰성 배터리 파우치 소재의 확보가 필수불가결함

이차전지 파우치는 리튬이차전지의 전기화학적 안정성 및 내구성에 대한 높은 기여도로 인해, 저가의 다층막
소재라는 업계의 일반적 인식에서 벗어나, 고용량 리튬이차전지 개발을 위한 핵심소재로 재인식되고 있음
리튬이차전지 파우치 시장은 일본기업(DNP, 쇼와)이 독점(점유율>80%)하고 있으며, 국내업체로는 ㈜율촌화학(점유율 5%)이 대표적임. 그러나 ㈜율촌화학의 경우, 국내 리튬이차전지 주요업체인 LG화학, 삼성SDI의 높은 수준의 품질요구로 인해, 중국내 소규모 시장을 중심으로 마케팅을 하고 있음
최근 중국업체인 신륜과기가 일본의 T&T사를 인수 합병하였고 자강산업 등 중국내 로컬업체들이 소형전지의 중저가 시장을 중심으로 진입을 시도 중이며, 빠른 속도로 그 기술수준을 높이고 있는 상황임

 

현재 국내 리튬폴리머전지 제조사(LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션, 코캄)는 전량 DNP사의 배터리 파우치를 채택/적용하고 있다. 배터리 파우치 시장은 DNP사와 쇼와사가 전체 수요의 80%를 공급하는 독과점 체제와 2019년 일본과의 무역분쟁 사건을 계기로 국내 완성전지업체의 경우 배터리 파우치 제조사의 다변화 요구가 큼

이러한 리튬이차전지 소재에 대한 주요 개발 트렌드는 가격경쟁력 확보를 기반으로 경량화, 고용량화, 안전성 향상의 방향으로 전개되고 있으며, 이를 구현하기 위한 다양한 시도가 진행 중에 있음
IT/모바일기기의 경박단소화 추세 및 전기자동차 및 에너지저장장치 시스템의 전기에너지 저장 및 사용증가 방향으로 발전함에 따라 리튬이차전지 시스템 안전설계 기술 확보가 더욱 중요해짐. 그러나 일반적으로 에너지 밀도와 안전성은 반비례 관계에 있으며, 에너지밀도가 높은 것은 상대적으로 안전성이 취약해 질 수 있다는 의미로, 고에너지를 저장해야 하는 박막 및 중대형 리튬이온전지의 경우 안전성은 매우 중요한 고려사항임, 따라서 에너지 밀도와 안전성의 조화가 박막 및 중대형 리튬이차전지의 개발 포인트임
소형 리튬이차전지시장의 경우도 파우치 Type 리튬이차전지가 기존 캔 Type 시장을 빠른 속도로 잠식해가고 있는 추세임. 또한 스마트 워치 및 웨어러블 스마트기기 시장의 전개에 따라 보다 얇은 파우치 소재에 대한 요구가 증대되고 있음. 소형 리튬이차전지 파우치의 경우 소재 메이커들은 두께가 기존 113미크론급 소재보다 얇은 88미크론급 박형 파우치 상품을 출시하고 있음

 

이차전지 파우치 필요기술

리튬이차전지 소재에 대한 주요 개발 트렌드는 가격경쟁력 확보를 기반으로 경량화, 고용량화, 안전성 향상의
방향으로 전개되고 있으며, 이를 구현하기 위한 다양한 시도가 현재 국내업체들을 통해 진행 중에 있음

리튬이차전지 포장재는 소재특성에 따라 캔 Type과 파우치 Type으로 나눌 수 있음. 캔 Type의 경우 그 모양에
따라 원통형과 각형으로 구분될 수 있으며, 대량생산의 이점이 있으나 Cell 포장 시 작업성이 어렵고, 포장 후
전지의 무게가 무거우며, 전지의 과부하 등에 따른 안정성을 확보하기 어려움. 파우치 Type의 경우 Cell 형태에
자유롭게 대처가 가능하고, 전지의 과부하 발생 시 Sealing부위가 개봉되어 폭발위험으로부터 안정성 확보가
용이함

리튬이차전지 파우치의 요구 물성은 Cell 구성소재의 기본특성에 1차적으로 규정되어지며 물리적, 화학적 내구성이야 말로 가장 중요한 요구 물성이라 할 수 있음. 리튬이차전지 파우치는 카보네이트 계열의 용매와 LiPF6 염이 포함된 전해액을 포장하고 장기간 외기 노출이 되기 때문에 높은 요구 물성이 필요하며, 주요 요구 물성은 내전해액성, Barrier성, 성형성, 장기신뢰성, Heat Seal성이 있음. 이러한 요구 물성을 구현하기 위하여 리튬이차전지 파우치의 경우 크게 3층으로 구성되어지는데 가운데의 Barrier층을 중심으로 외부필름 층과 내부 Sealant 층으로 구분되어짐

최외층 소재의 경우 Polyamide Film과 Polyester Film 소재가 주로 사용되어짐. 기존의 리튬이차전지 파우치의 외층소재는 Polyamide(Nylon) Film이 주로 사용되어졌으나 최근 내후성과 내화학성이 우수한 소재인 Polyester Film의 적용이 점차 증가하고 있는 추세임

 

Polyester Film의 경우 최근 들어 그 적용 사례가 증가 하고 있음. 대표적으로는 PET, PBT Film을 예로 들 수 있으며, Polyamide Film과는 달리 전해액에 대한 내화학성이 우수하여 리튬이차전지 제조과정 중에 전해액 취급의 부주의에 의해 발생할 수 있는 외층소재의 파손을 방지 할 수 있는 장점이 있음. 하지만 Polyester Film은 Polyamide Film에 비해 물리적 연신성이 떨어져 현재 단독으로 사용되어지지는 못함. 이러한 이유로 Polyamide소재와 공압출 하거나 Polyamide소재 위에 추가로 Lamination 하여 사용되어짐. 따라서 상대적으로 가격이 비싼 단점이 있음. 따라서 내화학성이 우수한 소재인 Polyester Film을 외층소재로 적용하여 내화학성이 우수한 파우치 개발을 국내 업체에서 진행하고 있음

 

Cell을 구성하는 내용물의 경우 카보네이트 계열의 용매와 LiPF6 염이 포함된 전해액을 포함하고 있음. 특히 LiPF6 염의 경우 수분과 접촉할 경우 불산(HF)을 발생시키는데, 이렇게 발생된 불산은 Sealant층을 투과해 결과적으로는 금속층인 Barrier층의 부식과 함께 전체 Cell의 파괴를 가속화시키는 결과를 가져오게 됨. 또한 리튬이차전지의 충,방전시 Cell 내부에서 Li이온의 이동과 전하의 이동 그리고 전류의 발생은 높은 열 발생을 동반, 가혹한 환경을 이루게 됨에 따라 전지의 신뢰성 및 안정성을 확보하기 위해 Cell 내부의 환경이 외부환경과 완벽히 차단되어지는 것을 요구하게 됨. 이러한 이유로 최내층 Sealant 소재의 경우 매우 높은 내화학성, Barrier성, 접착성, 및 내열성을 요구함. 따라서 불산에 대한 높은 Barrier성과 내화학성을 갖는 Sealant층을 개발하는 연구가 진행되고 있음

 

파우치를 구성하는 주요 구성요소 중, 금속층은 수분이 침투해 전해액 내의 리튬염과 반응하여 불산이 생성되는 것을 억제하기 위하여 수분 및 산소를 차단하는 Barrier 기능을 주로 함. 파우치를 구성하는 내, 외층의 고분자 필름과 금속층의 접착력이 약하여 박리가 일어나면 금속이 부식되어 기능을 상실할 수 있음. 또한 파우치의 경우 내, 외층의 고분자 필름과 금속이라는 이종 소재간의 접합이므로 강력한 접착기술이 요구됨. 이러한 이유로 금속의 표면처리가 필수적으로 요구됨. 국내에는 아직 파우치의 금속층을 위한 표면처리제를 독자 개발하여 상업화에 성공한 사례가 아직 없지만 이 부분에 대한 연구개발은 현재 최종 양산화 단계에 와 있고 향후 곧 제품이 출시될 예정임

 

위의 파우치 필요 기술을 토대로 여러 국내업체에서 기술 개발이 활발히 이루어지고 있고, 국내 기술적 기반이 취약한 관련 소재기술(CPP 설계기술, 표면처리 기술, 접착제 기술)에 대한 기반기술을 확보함으로써 수입에 의존하던 분야에 대한 국산화 진행을 통해 국내 유관산업의 발전을 동시에 성장시키고 관련시장에서 일본 선두업체의 경쟁 우위 및 중국 후발업체의 추격을 따돌림과 동시에, 국내 리튬이차전지 파우치 제품의 경쟁력을 확보하고 더 나아가 국내전지메이커의 경쟁력확보가 가능할 것으로 사료됨

 

출처 : keit pd 이슈리포트