현재 2차전지 시장의 주력제품은 니카드에서 니켈수소로 옮겨가는 추세이 며차세대 전지로 리튬이온 2차전지가 서서히 부각되고 있다. 또한 보다 고급 화된 전지들도 개발실에서 시장으로의 발걸음을 점점 빨리하고 있다. 각종 2차전지의 특성과 국내외 개발동향 및 참여업체 현황을 개략적으로 살펴본다.
1)니켈카드뮴(니카드)전지 니카드전지는 현재 형성되어 있는 2차전지 시장의 주류다. 1899년 스웨덴 의W 융거가 양극에 수산화니켈을 사용하고 음극에 카드뮴을 사용한 니켈카드 뮴계 "융거전지"를 발명한 것이 니카드전지의 효시다.
융거전지는 니켈.철계에 비해 방전율.온도.용량 측면에서 뛰어나 현재까지사용되는 축전지의 대표적인 형태로 군림하고 있다.
이후 극판 제조방법의 발전에 따라 1940년경 독일의 AFA(현재의 VARTA)사 가소결식(소결식) 극판을 채용해 전극의 표면적이 크고 얇아짐은 물론 전극 사이의 거리가 짧아지고 내부저항도 낮아진 니카드전지를 개발함에 따라 니카드 전지의 성능은 크게 향상되었다.
1947년에는 프랑스의 G 뉴망이 충전시 양극에서 발생하는 산소를 음극에서 흡수해 소비하는 구조의 완전 밀폐형 니카드 축전지 개발에 성공, 당시 2차 전지 개발의 최대 현안이었던 충.방전시의 가스발생 및 누액(루액) 문제를 해결함으로써 니카드전지는 각종 무선 전자기기로부터 비상용 예비전원에까지 그 수요가 급격히 확대돼 오늘에 이르고 있다.
국내에서는 77년 로케트전지가 한국과학기술원과 공동으로 원통 밀폐형 소 결식 니카드축전지를 개발, 85년부터 양산하고 있다. 로케트의 니카드전지는에너지밀도.내부가스 소비능력.외형구조 등이 개선돼 신뢰성과 안정성이 우수한 것으로 알려졌다. 이와 함께 일반 건전지와 규격이 같아 호환성이 있으며 5백회 이상의 재충전 능력을 보유하고 있다.
2 니켈수소전지 니켈수소전지는 휴대용PC.셀룰러폰.캠코더.카세트리코더.전동공구.장난감 등에 폭넓게 채용되고 있는 니카드전지와 특성이 유사하지만 고성능으로 전 자기기의 소형화 추세에 보다 적합하다.
니켈수소전지의 핵심인 전극판으로 사용되는 수소흡장합금은 당초 68년 연료전지의 전극으로 개발됐었다. 그러나 경제성 및 내구성 문제로 상용화되지못하다 80년대 들어 전지의 밀폐기술이 개발되고 산화.압력문제가 해결되면 서 2차전지의 전극판으로 실용화되고 있다.
특히 이 전지는 기체압력과 온도조절에 따라 평균압력보다 높거나 주변온도보다 낮아지면 수소를 흡수하고 반대로 저압.고온이 될 경우는 수소를 방출하는 기능을 갖고 있는 수소흡장합금기술을 활용, 에너지밀도 향상을 실현 했다. 이 전지는 평균 전압이 1.2V로 니카드전지와 동일해 호환성이 있으며 용량 도표준형 니카드전지에 비해 2배 이상 높다. 또 1~1.5시간 내에 급속충전이 가능하고 전지 내부저항이 낮아 방전시 전압 변동이 적다. 또 5백회 이상의충전이 가능하며 완전 밀폐구조로 전해액이 누출될 가능성이 적어 전해액을 보충할 필요가 없는 장점이 있다.
이같은 특성들로 인해 니켈수소전지는 기존의 니카드전지를 빠르게 대체하고있어 향후 2차전지시장의 주력품이 될 것으로 예상된다.
국내에서는 91년 로케트가 독자적으로 원통 밀폐형 니켈수소전지를 개발, 본격 양산을 위해 고용량화.저가.품질안정.공정개선에 주력하고 있으며 최근에는 삼성전관도 이 시장에 진출할 계획임을 발표했다.
3)알카라인 2차전지 알카라인 1차전지는 일단 방전성능이 우수한 데다 낮은 가격.오랜 저장수 명등으로 일회용 전지시장을 선도하고 있다.
이같은 알카라인 1차전지 지명도를 등에 업은 알카라인 2차전지 개발도 관련업계의 큰 관심을 모으고 있으나 아직까지 제대로 상용화되지는 못하고 있다. 특히 안정적인 충전횟수를 보장하는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것으로 알려지고 있다.
알카라인 2차전지는 지난 70년대부터 개발이 추진돼왔으나 실제 결실을 맺은것은 89년 오스트리아의 그라츠기술대학과 캐나다 BTI사에 의해서다.
이 전지는 니카드전지의 단점인 공해유발.저전압(1.2V).저용량.기억효과(M emory Effect)로 인한 용량저하 등의 문제점을 극복했으며 재충전이 가능케 됨에 따라 일회용 전지의 수십배에 달하는 경비절감 효과는 물론 폐건전지 발생량도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
현재 상품화된 알카라인 2차전지는 AA타입으로 공칭전압이 1.5V이며 평균 방전용량이 9백㎀에 달하며 충방전 횟수는 일반적으로는 50회이나 특정조건 아래서는 3백회까지 가능한 것으로 전해지고 있다.
이에 따라 같은 크기의 1회용 망간전지와 알카라인전지를 곧바로 대체할수있을 뿐만 아니라 현재 가장 널리 보급된 니카드전지의 영역까지 포함하는 넓은 적용성을 갖고 있다.
국내에서는 (주)영풍이 최근 BTI사와 관련 기술 및 양산설비 도입 계약을 체결, 늦어도 내년 상반기중에는 생산에 돌입할 계획을 세우는 등 사업참여 를서두르고 있다.
4)리튬이온 2차전지 리튬이온 2차전지는 현재의 전지기술을 토대로 가장 빠른 시일내에 일반화 시킬 수 있는 차세대 고성능 전지의 전위로 평가되고 있다.
기존의 니카드전지의 절반도 되지 않는 무게와 부피로도 현격히 높은 에너지밀도를 실현할 수 있어 이를 채용하는 각종 세트의 무게와 부피도 무선전화기는 25%, 캠코더는 15%, 휴대폰과 노트북PC는 30% 이상 줄일 수 있을것으로 예상된다.
리튬이온 2차전지는 특히 니카드전지와 달리 고의로 방전을 시키지 않고재충전을 해도 전지용량이 줄어들지 않는 등 거의 10년에 가까운 에너지 지속력을 가져 반영구적이라는 장점이 있다.
그러나 아직까지 이 전지는 8~16시간이나 소요되는 충전시간을 줄이는 것이관건이며 발화나 폭발사고에 대비해 충전시 전류 자체방전도 낮은 상태를 비슷해야 하는 어려움이 있다. 충방전 가능횟수도 1백50~3백회로 낮은데 이는대용량을 실현하기 위해 깊은 방전을 거듭하기 때문으로 알려졌다. 다른 제품에 비해 가격이 비싼데다 고밀도인 까닭에 과충전이나 전극을 잘못 연결 했을 때 내부압력이 증가, 폭발이나 화재사고를 유발할 가능성이 있는 것도큰걸림돌이다. 현재 세계 리튬이온 2차전지 시장은 일본이 주도하고 있다. 현재 소니에너지텍사가 월 2백만개로 가장 앞서 있으며 도시바AT배터리사가 월 1백60만개, 산요 월 1백만개, 마쓰시타전지 월 40만개, 모리에너지 월 20만개 등을 생산 하고 있다. 그러나 최근 소니의 고리야마공장 화재에 따른 생산차질로 판도변화가 예상되고 있다.
국내에서는 삼성전관.대우전자.태일정밀.로케트.서통 등이 개발 및 양산을 서두르고 있으나 적어도 98년 이후에나 양산이 가능할 것이라는 전망이다.
5)고체 고분자 전해질 리튬전지(리튬폴리머전지) 리튬폴리머전지는 현재 개발중인 차세대 전지중 기술적으로 가장 고급형에속하는 것으로 이온전도가 우수한 고체 고분자 전해질을 사용, 액체를 전해 질로 사용하는 전지들이 지닌 폭발 위험이 전혀 없다는 장점이 있다. 이와 함께 우수한 합성극판 제조기술의 확립을 통해 전지성능이 안정돼 있으며 이 전지에 부합하는 충방전 기술이 완료될 경우 가장 높은 에너지 효율을제공할수 있을 것으로 평가되고 있다.
국내에서는 현재 LG금속이 영국 국영연구기관인 AEA와 제휴해 개발을 추진 하고 있다.
또한 한국전기연구소도 통상산업부의 지원을 받아 지난해 6월부터 15억원 을투자해 98년 개발완료를 목표로 연구 진행중이다. 동연구소는 지난 6월로 끝난 1차년도 기간중 개발한 기술을 기반으로 전지용량 균형화를 추진, 최적 조건의 단위전지 시제품을 내년중 개발하고 이어 핵심기술인 고체 고분자 전해질에 대한 구조 및 특성을 연구해 보다 높은 수준의 기술을 확립한다는 계획이다. 리튬폴리머전지는 에너지절감 효과가 뛰어나 전기자동차나 전력부하 평준 화용 대용량전원에 적합할 것으로 예상되는데 아직 국내외적으로 상업화되지않고 있어 개발에 성공할 경우 국내 전지산업 경쟁력이 크게 높아질 것으로기대된다. 업계 전문가들은 이 전지의 양산 및 상업화까지는 많은 어려움이 있는 점을감안 성공적인 개발과 상용화를 위해 정부를 중심으로 기술개발력을 모으 고기업들은 양산준비에 주력하는 2원화 체제 도입을 적극 검토할 필요가 있다고 조언한다.