에너지의 효율적인 사용을 통해 환경 부담을 줄이는 정책들이 지속적으로 발표되고 있다. 이와 관련해 정부 측에서는 친환경차와 이차전지 등의 효율적이고 친환경적인 생활 속 제품들을 활성화하기 위한 연구를 추진하고 있으며 상용화까지 이어지고 있다고 전했다. 본지에서는 ITECH 산업기술R&D정보포털에서 발표한 2019년 친환경차 및 이차전지 경과와 2020년 계획을 소개한다.
자료원 : ITECH 산업기술R&D정보포털(http://itech.keit.re.kr)
1. 친환경차
1) 경과
친환경차 기술개발은 ▲수송부문의 온실가스 배출량 저감으로 환경 영향 최소화 ▲친환경차 분야의 경쟁력 확보를 통한 성장동력 및 시장경쟁력 구축 등을 목표로 추진하고 있다. 이러한 핵심부품 기술을 개발해 세계적 수준으로 가치를 극대화하고 이로 인한 해외 수출도 확대될 것으로 예상된다. 최근 국내·외에서 증가하고 있는 미세먼지나 지구온난화, 온실가스 감축 등과 같은 환경문제에 대응하기 위해서는 국내 미세먼지 저감을 위한 부품이나 모듈 및 시스템 기술을 확보할 필요가 있다.
현재 친환경차와 관련된 사안은 지난 2015년 확정된 제3차 환친차 기본계획을 바탕으로 진행되는데 핵심 골자로는 ①소비자 구매를 촉진할 경쟁력 있는 친환경차 개발 ②저비용ㆍ고효율 충전 인프라 확대 ③친환경차 이용혜택 확대를 통한 사회기반 조성 등이다.
우선, 환친차의 구매 확대를 위해 전기차 성능을 2.5배 향상시키고 수소차의 가격은 40% 절감함과 동시에 저가형 하이브리드 모델을 다양하게 구축하는 경쟁력 있는 친환경차 개발 방안이 담겨 있다.
저비용ㆍ고효율 인프라 구축 확대의 경우, 전기차 충전시설을 확대하고 중점 보급도시 중심으로 수소충전소를 구축하는 과정이다. 이와 관련해 지난 9월, 준공된 국회 수소충전소는 산업통상자원부의 규제샌드박스 1호로 추진된 사업으로서 상업지역에 속하는 국회 부지에 대해 산업융합촉진법에 따른 실증특례를 허용해 입지 제한 및 도시계획시설 지정 없이 국유지 임대를 통해 충전소가 설치된 사례가 있다.
마지막으로 정부는 친환경차의 보급을 확대하기 위해 사회기반을 조성하는 방안도 추진했다. 친환경차의 구매를 촉진하기 위해 보조금 및 세제를 지원해 환친차의 구매부담을 줄여주고 적정 과금체계를 확립해 운영 안정성 확보함과 동시에 보급 확대를 위한 법ㆍ제도를 개선하는 방안이 포함됐다.
정부는 이러한 환친차 기본계획을 바탕으로 환친차의 단점으로 지목되는 짧은 주행거리(EV)·높은 가격(FCEV) 등 기존 친환경차의 성능 한계를 극복한 경쟁력 있는 차량을 개발해 소비 수요를 늘려 나가고 있다.
지난 2019년 전기차의 경우, 배터리 에너지 밀도, 전기구동·냉난방 시스템 등의 성능을 향상시키고 시장경쟁력 제고함으로써 기술 가치를 더욱 극대화하고 수소차는 차량의 내구성과 안정성을 향상시켜 부품 가격을 저감하는 방안을 모색했다.
특히, 내연기관 및 HEV의 경우, 엔진효율을 향상시키고 하이브리드 자동차 모델을 다양화 함으로써 친환경 자동차의 기술력을 강화했고 자동차의 효율을 높이고 가격을 절감하기 위해 배기정화장치 개선, PHEV 구동시스템, PHEV 전용엔진, 전동화부품, 48V Mild HEV, PHEV 공용 부품 등을 기술을 개발했다.
또한, 개방형 공용플랫폼을 개발해 중소·중견기업을 지원하는 방안도 함께 추진됐다. 이에 UX 기반의 디자인 설계기법을 제시했고 섀시 플랫폼을 설계·해석 및 도면화했다.
2) 주요성과
수소전기트럭(압착진개차) 핵심 부품 및 시스템 개발
2019년에는 5톤급 수소전기트럭 및 압착진개차와 관련된 기술을 개발했다. 특히 중량배분 설계 및 연료전지시스템 탑재 기술개발을 추진했으며 스택/전장 냉각모듈, 배터리 냉각시스템, 수소저장 모듈을 개발했고 고압수소용기를 탑재할 수 있는 공간을 설계하는 등 안전 확보기술 개발도 완료했다.
또한, 수소연료를 이용한 카고 및 압착진개차 안전기준을 수립했다. 특히 압착진개차는 실제 운용할 수 있는 주행노선 및 단축 시험 모드를 통해 연비 평가를 완료했는데 연비는 13.65㎞/㎏, 1회 충전 주행거리 345.6㎞, 등판능력 25% 주행, 최고속도 90㎞/h의 결과 값을 나타냈다.
또한 45㎫급 300L 운송용 수소저장용기의 기술을 개발했다. AC419 국내 인증을 위해 설계검토서를 작성하고 인증시험 과정을 진행했다. 테스트에서는 총격, 투과시험, 가속응력파열시험, 극한온도반복시험 등 제품 성능확보를 위한 검증 과정을 진행했고 테스트를 통해 보완작업을 거쳐 ISO규격 40피트 튜브트레일러 용기의 시제품을 제작했다.
수소전기트럭 연비 평가 모드 개발 및 평가 분석 완료
3) 산업현안 및 주요동향
환경규제 강화로 인해 친환경자동차의 비중이 점차 확대되고 있으며, 이로 인한 자동차산업의 패러다임 전환이 진행되고 있다. 세계 자동차시장은 완만한 성장세를 유지하고 있으며, 특히 HEV, PHEV, BEV, FCEV 등의 친환경 전력기반자동차의 성장이 내연기관차보다 월등히 높은 수준을 보일 것으로 전망된다. 친환경차는 2010년 161만 대를 생산한 반면, 2020년에는 1,598만 대의 생산이 예상된다.
이러한 시장이 형성됨에 따라 부품기업 및 차량 업체들의 친환경시스템에 대한 관심이 고조되고 있으며, 연비 향상을 위한 경량 소재 개발 연구도 활발히 진행되고 있다.
미국, EU, 일본, 중국 등 주요국은 xEV 기술 개발을 위해 에너지 저장 및 충전, 모터 및 구동 제어 기술, 열 관리, 차체/아키텍처 및 섀시 시스템 등의 분야에 집중적으로 투자하고 있으며 현재 한국은 전기차 대중화 시대 조기개막을 위해 성능향상 및 가격인하를 유도할 수 있는 모터, 배터리 및 충전, 공조, 경량화 등의 부품 기술을 중점적으로 개발하고 있다.
4) 추진전략
정부는 전기차 대중화시대를 앞당기기 위한 시장자립형 xEV 산업을 육성하겠다는 포부를 밝혔다. 이를 위해 소비자 중심의 자생적 시장경쟁력을 갖춘 xEV의 기술을 개발할 예정이다. 현재는 1회 충전주행거리(50% 이상) 및 주행 효율(20% 이상) 향상 충전시간 1/3 단축을 목표로 사업을 추진할 예정이며 이를 위해 소비자수용성 제고를 위한 요소부품 기술개발, 시장경쟁력 확보를 위해 xEV 핵심부품/모듈 및 시스템 기술 개발, 에너지저장 및 충전, 전기구동 및 전력변환, 열관리 및 공조, 수소연료전지 등의 개발을 지속적으로 추진할 예정이다.
추진 프로젝트
3세대 xEV용 에너지저장 및 충전 기술개발
- xEV 주행거리 향상을 위한 배터리 팩 에너지 밀도 및 용량 증대 기술
- xEV 소비자 수용성 제고를 위한 충전시간 단축 및 충전편의성 향상 기술
- xEV 시장 확대 대응을 위한 배터리 및 충전 시스템 모듈화/공용화 기술
3세대 xEV용 e-파워트레인 기술개발
- xEV 주행성능 향상을 위한 e-파워트레인 효율 제고 기술
- xEV 시장 확대 대응을 위한 e-파워트레인 시스템 다양성 확보 기술
xEV 에너지 이용 효율 향상을 위한 중앙집중형 열관리 시스템 기술개발
- xEV 열 이용 효율 향상을 위한 중앙집중형 허브모듈 기술
- xEV 배터리 내구성 향상을 위한 복합 열관리 기술
- xEV 최적 열관리 기반 공조 감성 및 열쾌적성 향상 기술
글로벌 중대형 상용차용 수소연료전지 기술개발
- 수소상용차 내구성 확보를 위한 수소연료전지 핵심부품 기술
- 수소상용차 시장경쟁력 확보를 위한 전용부품 가격저감 기술
- 수소상용차 충전편의성 제고를 위한 수소충전 기술
5) 중점 추진 연구개발 분야
향후 전기차 관련 기술은 에너지밀도 향상, 열관리 최적화, 경량 패키징 등을 통한 에너지저장시스템 성능 개선을 목표로 발전될 것으로 예상된다. 이에 따라 xEV 주행거리 향상을 위한 배터리 팩 에너지 밀도 및 용량 증대 기술, xEV 소비자 수용성 제고를 위한 충전시간 단축 및 충전 기술 및 시스템 모듈화/공용화 기술 보급에 중점을 둘 전망이다.
구동 및 전력변환과 관련해 친환경 e-파워트레인 기술을 개발할 예정이다. 특히 xEV 주행성능 향상을 위한 e-파워트레인 효율 제고 기술, xEV 시장 확대 대응을 위해 e-파워트레인 시스템의 다양성을 확보하려는 움직임을 가속화한다.
환친차와 관련해서 공조 및 열관리 시스템은 중요 기술인데 중앙집중형 열관리 시스템의 기술 보급도 추진한다. xEV 열 이용 효율 향상을 위한 중앙집중형 허브모듈 기술, xEV 배터리 내구성 향상을 위한 복합 열관리 기술, xEV 최적 열관리 기반 공조 감성 및 열쾌적성 향상 기술 등 xEV 관련 기술 개발을 추진한다.
차량 배터리로 장착되는 수소연료전지에 필요한 수소충전 요소부품 기술개발의 필요성은 언제나 높은 편이다. 최근 높아지는 환친차의 수요에 맞게 관련 기술 개발을 진행할 예정이다. 상용차용 수소연료전지 내구성 확보를 위한 핵심 요소부품 기술, 수소연료전지 상용차 시장경쟁력 확보를 위한 전용부품 가격 저감 기술, 수소연료전지 상용차 시장 확대를 위한 상품성 향상 기술 등을 주요 과제로 진행할 예정이다.
2. 이차 전지
1) 주요 연구개발 분야
정부에서는 EV, ESS 등에 적용되는 중대형이차전지의 핵심소재·부품과 이차전지를 개발하기 위해 2021년까지 관련 프로젝트에 관한 지원을 아끼지 않고 있다. 270Wh/㎏급 고에너지밀도 중대형 이차전지에 적용되는 4개 핵심소재를 개발하고 있으며 이차전지를 시제작하고 성능 평가과정도 함께 진행 중에 있다.
아울러 소재·부품·장비산업의 기술자립화를 위해 수요공급 연계형 기술을 개발하고 있고, 제품화 실증형 사업을 진행하고 있다. 특히 이차전지용 파우치, 바인더, 전해액 첨가제, 양극재 제조용 소성로에 대한 사업을 지원하고 품목별로 수요기업에 따라 맞춤형으로 복수 지원하고 있다.
이차전지 세부 평가 내용
또한, WPM(World Premier Materials) 고에너지 이차전지용 전극(양극, 음극) 소재 개발지원, 전기자동차용(30Wh/US$급) 및 ESS용(50Wh/US$급) 양극소재와 125~150Wh/US$급 음극소재 개발도 지원한 바 있다.
현재 300Wh/㎏급 중대형이차전지 개발을 위한 4대 핵심소재를 개발하고 270Wh/㎏급 중대 형이차전지의 e-모빌리티 적용을 위한 성능평가를 진행했다. 세부 성과로는 ▲Ni 85%급 양극재 적용한 705㎃h/cc급 전극 개발 ▲ 실리콘 합금계 음극재 적용한 733㎃h/cc급 음극전극 개발 ▲ 수분함량 3㏙, 산화전압 5.5V 수준의 전해액 개발 ▲ 두께 17.8㎛ 수준의 세라믹 코팅 분리막 개발 ▲ 270Wh/㎏급 e-모빌리티용 단전지 제조 및 배터리 팩 단위 성능평가 등이 있다.
또한 시장규모가 폭발적으로 성장하고 있는 전기차(EV) 및 에너지저장장치(ESS)을 겨냥해서 세계 최고수준의 소재를 개발하고 있다.
EV용 양극 기술로는 니켈과량계(Ni 80% 이상) 소재의 물성 개량을 통해 수명특성을 향상시켰고 세계 동등수준의 방전용량을 달성한 바 있고(NCM 조기사업화를 통한 매출 490억원 달성) EV용 음극은 실리콘합금계 소재 개발 및 Scale-Up 공정을 개발한 바 있다. 이외에도 ESS용 양극은 저가 NCM 소재 성능을 개선하고 ESS용 음극운 SiOx/C 복합체 제품화기술을 개발했다.
2) 산업현안 및 주요동향
이차전지 활용 방안
유럽의 친환경 정책, 중국정부의 전기차 지원, 미국의 친환경차 보급계획 등 전기차용 배터리 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 공급측면에서 글로벌 경쟁은 치열해질 것으로 전망된다. 현재 이차 전지는 한, 중, 일 기업들이 시장을 주도하고 있는데 시장 선점을 위한 경쟁이 심화돼 기술력, 대규모 생산능력을 갖춘 5~7개사의 과점체제로 재편될 것으로 전망된다.
3) 시장전망 및 산업이슈
전기차, ESS 등 중대형 리튬이차전지가 이차전지 산업 성장을 견인 중에 있으며, 경쟁국들의 공격적 투자 및 구가차원의 지원이 지속되고 있다. SNE리서치에 따르면 글로벌 시장 규모는 연평균 40% 성장해 2025년에는 1,670억 달러 규모에 달할 전망된다.
4) 추진전략
차세대 이차전지의 고성능화를 통해 상용화를 확대하고 기술우위를 확고히 하기 위해 대표 적인 대형사업을 추진해야 한다. 이에 안전신뢰를 담보하는 프리미엄급 이차전지를 제품화하고 이를 위한 고성능 핵심소재·부품·장비기술 개발 및 상용화 검증을 위한 인프라 구축사업을 진행할 예정이다(예타사업, 2022~2028년, 7년간 7,000억 원 규모).
고성능 이차전지 안전신뢰제고 기술개발 및 인프라 구축사업은 ▲상용 이차전지의 고성능화 및 안전신뢰 제고를 통한 시장 장악력 확대 ▲고성능 차세대 이차전지 제품화기술 개발을 통한 신규 시장 선점 ▲중대형전지용 소재부품장비 테스트베드 구축(수요연계 지원) ▲차세대 고성능 이차전지 연구기반 구축(가속기 고도분석 연계) 등을 주요 골자로 하고 있다.
정부는 이차전지 산업 확장 및 차세대 이차전지 기술 주도를 위해 EV, ESS용 중대형 이차전지를 고도화하고 소재·부품·장비의 역량을 강화한다.
ESS의 경우, 중대형이차전지의 상용화기술(양극, 음극, 전해질, 분리막, 300Wh/㎏급 전지)을 개발해 수요시장 확대에 효과적으로 대응하고 전기차의 경우, 충전시간 단축을 위한 고출력 배터리 개발을 통해 충전대기시간을 단축하고 운전자의 편익을 향상 시켜 전기차의 보급 확대를 추진한다. 아울러 이차전지용 분리막 개발을 통해 이차전지 소재·부품·장비산업을 육성 하고, 전고체전지, 이차전지 재활용기술 개발을 통해 이차전지용 소재·부품 전반에 대한 경쟁력 강화를 추진할 예정이다.
5) 중점 추진 연구개발 분야
정부는 차세대 이차전지분야의 세계 기술 선도하고 신규시장 선점을 위한 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조기술 개발’을 지원한다. 정부지원과 투자기업(전지사)의 사업비 매칭을 통해 전고체전지, 리튬금속전지, 리튬황전지의 핵심 요소기술을 개발해, 원천 기술(IP)을 확보할 방침이다. 소재·부품·장비산업의 기술자립화 및 이차전지기술 선도를 위해 소재부품사업을 지원한다.
