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중소기업 기술로드맵 조회결과

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레독스 플로우 배터리
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

레독스 플로우 배터리 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 산화수가 다른 액상의 양극전해액 및 음극전해액으로 구성된 전지로서 양극 및 음극 전해액을 구성하고 있는 레독스 쌍(redox couple)의 전위차에 의해 기전력이 발생하고 충∙방전이 가능한 이차전지 시스템
  • 범위 : 레독스 플로우 배터리의 주요 구성은 카본 및 금속계 전극소재, 유기 및 무기 전해액, 분리막, 분리판 등으로 구성되며 관련 기술로서 전지의 적층(Stacking)기술을 포함하며 2만 싸이클 및 20년 이상의 안정된 수명 특성을 갖고 있고 출력과 에너지 밀도를 독립적으로 각각 설계할 수 있어서 4시간 이상의 출력 지속 시간이 가능한 장주기형 대용량 전력저장용 이차전지
나. 주요 제품

[ 제품분류 관점 기술범위 ]

제품분류 관점 기술범위
기술개발 테마제품분류 관점세부기술
레독스 플로우 배터리 전극
  • 고내식성 카본 복합재 전극 개발 기술
  • 고활성 촉매 전극 개발 기술
흐름전해질
  • 고농도 바나듐계 레독스 커플
  • 2V 이상 고전압 레독스 커플
  • Zn/Ce 계 레독스 커플, Zn/Br 계 레독스 커플, V/Br 계 레독스 커플
이온교환막
  • 고강도, 고내식성 폴리머 이온교환막
  • 이온전도성이 향상된 이온교환막

[ 공급망 관점 기술범위 ]

공급망 관점 기술범위
기술개발 테마공급망 관점세부기술
레독스 플로우 배터리 레독스 플로우 배터리용 고전압 신규 레독스 쌍 및 전해액
  • 전이 금속계, 란탄나이드계, 금속-리간드계 레독스 쌍 개발을 위해 저가격이면서 전위차가 큰 전이금속을 중심 금속으로 도입(Zn, Ni, Mn 등) 기술
  • 금속-리간드계 레독스 쌍 개발을 위하여 고전압 레독스 쌍과 전압상승을 위한 electron withdrawing function기의 도입
  • 고농도로 레독스 쌍을 용해시킬 수 있는 용매 및 첨가제 개발기술로써 강산(strong acid)을 이용하는 수용성 시스템과 유기 용매를 이용하는 비수용성 시스템 기술
레독스 플로우 배터리용 고내구성 분리막
  • 나피온(Nafion)을 비롯한 불소계 분리막을 대체하는 저가격의 탄화수소(Hydrocarbon)계 분리막 개발
  • PE(polyethylene), PP(polypropylene) 등의 저가격 폴리올레핀(Polyolefin)계 매트릭스에 이온전도도가 큰 작용기를 도입하는 기술
  • 유/무기 분리막 개발
  • 기계적 강도 및 전도성을 향상시키는 기술
  • 가교형 형태의 저가격, 내강산성 분리막 개발, 높은 수소이온전도성을 갖게 하는 기술
래독스 플로우 전지용 고내구성 전극 및 분리판
  • 고전기전도도 및 고내구성 전기화학적 촉매전극 및 분리판 개발
  • 고활성 촉매전극 개발
  • 저가격, 유연성, 경량 특성을 갖는 분리판 개발을 위해 금속기판에 전기도금방식에 의한 개발
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장
대형 에너지저장시스템(ESS)의 세계시장 규모는 향후 전력수요 증가와 신재생에너지 확산 등으로 크게 성장할 것으로 예상하며 2018년 346억 달러 시장을 형성할 전망
특히 전력시스템을 위한 에너지저장시스템(ESS)으로 보조 서비스용, 신재생에너지용 등의 에너지저장시스템은 높은 성장률을 기록할 것으로 예상
주요 선진국들은 시장 확대를 위해 에너지저장시스템과 관련된 연구개발과 실증을 활발히 추진 중이며 일부 상용화에 성공하는 등 사업화 진입단계

레독스 플로우 배터리용 레독스 쌍의 소재 개발에 따른 시장 규모 및 매출액은 미국의 EIA 세계에너지 전망을 근거로 다음과 같이 전망

[ 레독스 플로우 배터리 분야 산업구조 ]

레독스 플로우 배터리 분야 산업구조
구분항목단위2020년2030년
세계시장 전세계 발전량 TWh/년 16,000 33,300
신재생에너지 전력생산비중   5% 15%
신재생에너지 전력생산량 TWh/년 800 4,995
신재생에너지 중 태양/풍력발전 생산량 TWh/년 (15% 假定)120 999
태양/풍력발전 → 배터리 저장비율 % 5.0% 15.0%
배터리 에너지 저장량 TWh/년 6 150
하루 8시간 충방전 시 필요 전력량 kWh 5,479,452 136,986,300
배터리 저장량을 365로 나누어 주어야함
레독스 쌍의 시장규모 억 원 5,424 135,600
계산식: (5,479,452 x 990$ x 1,500원/$) ÷15kWh

신규 레독스쌍 소재 세계 시장 규모는 2016년 379백만 달러 규모에서 2021년 692백만 달러 규모로 5.0% 규모로 성장할 것으로 전망

[ 신규 레독스쌍 소재 세계 시장 규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

신규 레독스쌍 소재 세계 시장 규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR('16~'21)
세계시장 379 398 418 438 461 692 5.0

* 출처 : PEFC 시장규모, 후지경제

고분자전해질의 연료전지(PEFC)와 레독스 플로우 배터리 분리막의 기능과 특성이 유사하여 동시에 사용할 수 있다고 가정하여 다음과 같이 전망

[ 신규 분리막 소재 세계 시장규모 추정근거 ]

(단위 : 백만 달러, %)

신규 분리막 소재 세계 시장규모 추정근거
구분전세계 PEFC 시장분리막 비중2020년2021년2022년
세계시장 20,000원 20% 4,000억 원 4,400억 원 4,800억 원
      10% 성장 10% 성장
전세계 발전량(2020) 16,000 TWh/년      
신재생에너지 전력생산비중 : 5%      
신재생에너지 전력생산량 : 800 TWh/년      
신재생중 태양/풍력발전 생산량 : 120 TWh/년 (신재생의 15% 예상됨)
태양/풍력발전중 battery저장 비율(5%로 예상) : 6.0 TWh/년  
배터리 에너지 저장량 : 60억 kWh    
60억 kWh/(8h/일 x 365일/년)= 2,050,000kW  
2,050,000kW x 500$/kW(Nafion 117 membrane가격) = 10.3억$
RFB가 전체 전력저장전지의 20%를 차지한다고 가정  
10.3억$ x 0.2 x 1,500원/$ = 3,090억원  
  3,090억 원 3,245억 원 3,407억 원
    5%성장 5%성장
PEFC + RFB용 membrane total 7,090억 원 7,645원 8,207억 원

* 자료: PEFC 시장규모, 후지경제

[ 분리막 소재 분야의 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

분리막 소재 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR('13~'15)
세계시장 472 496 521 574 603 484 5.0

* 자료: PEFC 시장규모, 후지경제 근거 산출

  • 매출추정 산출근거 : 세계시장의 20% share 가정
  • 전 세계 PEFC 세계시장 : 20,000억원 X 분리막 비중(20%) = 4,000억원(2020년 기준)

레독스 플로우 배터리용 전극 및 분리판은 연료전지의 기능과 특성이 유사하여 동시에 사용할 수 있다고 가정하여 다음과 같이 전망

[ 신규 분리판/전극 소재 세계 시장규모 추정근거 ]

신규 분리판/전극 소재 세계 시장규모 추정근거
구분전세계 PEFC 시장분리막 비중2020년2021년2022년
세계시장 20,000원 20% 4,000억원 4,400억원 4,800억원
      10% 성장 10% 성장
전세계 발전량(2020) 16,000 TWh/년      
신재생에너지 전력생산비중 : 5%      
신재생에너지 전력생산량 : 800 TWh/년      
신재생중 태양/풍력발전 생산량 : 120 TWh/년 (신재생의 15% 예상됨)
태양/풍력발전중 battery저장 비율(5%로 예상) : 6.0 TWh/년  
배터리 에너지 저장량 : 60억 kWh    
60억 kWh/(8h/일 x 365일/년)= 2,050,000kW  
2,050,000kW x 480$/kW(분리판/전극 가격) = 9.84억$
RFB가 전체 전력저장전지의 20%를 차지한다고 가정  
9.84억$ x 0.2 x 1,500원/$ = 2,952억 원  
  2,952억 원 3,100억 원 3,255억 원
    5%성장 5%성장
PEFC + RFB용 분리판/전극 6952억 원 7,500원 8,055억 원

* 자료: PEFC 시장규모, 후지경제 근거 산출

[ 신규분리판/전극 소재 세계시장 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

신규분리판/전극 소재 세계시장 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 486 511 536 563 591 886 5.0

* 자료: PEFC 시장규모, 후지경제 근거 산출

나. 국내시장
현재는 시장 형성 전 실증 단계이나, 향후 전력 소비량 증가 및 신재생에너지 확대에 따라 중장기적으로 수요가 급팽창할 전망
에너지저장시스템(ESS) 시장 규모는 ‘15년 리튬이차전지가 2,209억 원으로 대부분을 차지하고 있으나 향후 레독스 플로우 배터리 시장이 급속히 확대될 것으로 전망
더불어 레독스 플로우 배터리와 관련된 부품소재 시장이 확대될 전망이고 특히 분리판, 전극 및 분리막의 수요가 기존의 이차전지나 연료전지 시장과 맞물려 크게 확대될 것으로 전망
신규 레독스 쌍의 개발을 통하여 대량의 전이금속화합물 또는 metal-ligand 화합물의 수요 창출이 기대되고 기존 화학기반 기업들의 사업 아이템 확장을 통해 새로운 비즈니스 모델 창출 기대
레독스 플로우 배터리는 스마트 그리드로 대변되는 21세기 에너지 혁명의 핵심 역할인 대용량 에너지저장장치로써 중추적인 역할을 할 전망이며 21세기 전력망 구현을 위해서는 전력의 생산과 공급의 불균형 문제를 해결할 수 있는 완충적 역할을 할 수 있는 대안으로 부상하는 기술 분야
대용량 에너지저장시스템은 향후 전기자동차용 보다 수요가 더욱 더 빠르게 성장할 것으로 예상되며 신재생에너지 관련 부문 시장은 2020년 약 10조원으로 성장할 것으로 전망
전력계통 안정화를 위한 대규모 에너지저장 부문은 2020년 약 10조원으로 신재생에너지 부문과 유사하며 가정용 및 산업용 UPS 시장은 9.4조원으로 빠르게 성장할 것으로 전망

최근에 발생한 블랙아웃 사태와 관련하여 안정적인 에너지저장 및 공급 장치에 대한 수요가 증가하고 있으나 수백 kW ~ MW급 용량의 에너지저장 장치에 대한 충/방전 특성, 성능평가 등 평가 장비가 부족한 상태

  • 따라서 선진사 제품을 벤치마킹하여 다양한 기술개발을 통해 신제품을 개발하고 기술 극대화로 시장에서 요구하는 신뢰성이 우수한 성능평가 장비를 개발하여 에너지저장시스템의 효율을 극대화 필요성 존재
  • 현재 레독스 플로우 배터리 성능 평가는 일부 장비를 제외하고 외국제품에 대한 읮노도가 크며 시장 확대를 위해 저가격, 고신뢰성 및 국산화에 대한수요가 지속적으로 요구

[ 레독스 플로우 배터리 분야의 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

레독스 플로우 배터리 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 5,719 6,005 6,306 6,621 6,952 7,244 4.2

* 자료: PEFC 시장규모, 후지경제 근거 산출

4.기술분석
가. 기술환경 분석

레독스 플로우 배터리는 활물질이 기존의 전지처럼 고체상태의 전극이 아니고 액체 상태의 전해질이며 산화수가 다른 양극과 음극 전해질이 충/방전 시에 발생하는 양극과 음극에서의 기전력의 차이를 이용

  • 국내의 기술 수준은 현재 제품이나 발표된 연구결과 등이 간혹 나오고 있으나 구체적인 기술수준을 연급하기에는 미흡
  • 레독스 플로우 배터리 시스템을 구성하는 레독스 쌍, 분리막, ㅈ너극 및 분리판, BOP, PCS 등 기존의 이차전지와 연료전지 개발에 축적된 기술 활용 가능

[ 레독스 플로우 배터리 연구 진행상황 ]

레독스 플로우 배터리 연구 진행상황

* 출처: 한국과학기술연구원

에너지 효율이 높은 레독스 플로우 배터리용 분리판은 전지 주요 성분 하나인 전극을 지지하며 동시에 전류를 원활하게 흐르게 하는 집전체(current collector)의 역할을 하는 기판

  • 레독스 플로우 배터리용 분리판에 대한 연구는 주로 상용화 가능성이 큰 vanadium계 및 Zn/Br계 레독스 플로우 배터리용 전극과 분리판에 대한 개발기술이 집중적으로 연구
  • 얇은 전도성 접착막과 저가의 유연성이 큰 흑연기판을 개발하여 전극과의 접촉면 및 전지전도도를 향상시켜 전지의 내부저항(internal ohmic resistance) 및 접촉저항(resistance) 감소시키는 기술개발
  • 전극과 분리판 소재는 기본적으로 흑연계(graphite) 소재로써 graphite felt, impremeable graphite, carbon-plasic composite 등이며 전지의 쿨롱(coulombic) 효율과 전압(voltage)효율을 향상시키기 위해 전지의 내부저항을 감소시키는 연구가 진행

레독스 플로우 배터리용 고내구성 분리막은 양극액 및 음극액 활물질의 이온 혼합 방지 및 수소 이온(H+) 또는 하이드록사이드 이온(OH-) 이동만 가능하거나 전류 플럭스의 이동만 가능하게 하는 레독스 플로우 배터리의 핵심소재 중의 하나

  • 국내의 경우, 분리막을 연구하는 기업, 연구소, 대학 등에 걸쳐 있으며 대부분 이차전지와 연료전지용 분리막을 연구 개발하고 있으며 몇몇 기업은 파일롯 플랜트 수준의 기술개발
  • 또한 불소계 분리막 연구와 함께 비불소계인 탄화수소계 연구를 하고 있으며 높은 이온 전도도와 내구성을 가진 분리막 개발에 집중
  • 가교 결합된 PVA/SiO2 하이브리드, PVA/PAA/SiO2 하이브리드 형태의 분리막을 개발하여 10-3S/cm의 높은 이온전도도를 달성한 바 있고 유/무기 하이브리드 형태의 분리막 개발
  • 국외의 경우 대표적인 분리막 기술은 Dupon에서 불소화 고분자인 Nafion 분리막을 개발하여 이미 양이온 교환막으로 상용화
  • 호주에서는 양이온 교환막으로 Nafion 125, CMV를 음이온 교환막으로 AMV, DMV를 이용하여 막 저항 및 바나듐 4가 및 5가 이온(VO2+, VO2+)의 막 투과성에 관한 적용 연구
  • 일본은 polyethylene(PE) 대칭막과 비대칭막을 기막으로 양이온 교환막을 제조한 연구 및 이를 바나듐 레독스 플로우 배터리에 적용한 연구와 PE 대칭막과 비대칭막, 시편의 음이온 교환막(selemium, Asahi Kassei)에 전자선을 조사하여 물리적으로 가교화사켜 막의 내산화성 향상과 이를 이용한 바나듐 레독스 플로우 배터리의 특성 연구

최근 기후변화에 따른 중요성의 인식으로 온실가스 및 유해가스의 배출을 최소화 할 수 있는 에너지효율 기기로써 이차전지에 대한 관심이 고조되고 있으며 정부의 에너지 효율 향상 기기 보급 정책 및 시장의 필요성 등으로 산업이 급격히 팽창할 것으로 예측

  • 아울러 주요 선진국은 자동차 및 전력저장 등의 에너지 보그 정책을 수립하고 특히 대형 에너지 전력저장장치의 경우 신재생에너지 대규모 발전소 변전소 일반산업 및 가정 등 다양한 수요가 존재하여 정책의 수립이 용이
  • 선진국을 중심으로 고효율이며 온실가스의 배출량이 획기적으로 절감되는 대용량 에너지 저장장치에 대한 관심 증대 및 시장 확대 등으로 단기간에 급속히 시장이 확대될 전망
전력저장용 대형 이차전지 관련 기술 중 리튬이차전지를 제외한 기술력은 주요 선진국과 대비하여 열악한 상태이며 특히 부품 및 소재 관련 기술은 매우 취약
이차전지 산업은 기술집약적인 산업이고 전후방 산업에 막대한 영향을 미치며 전방산업에 위치한 전기자동차, 전력저장장치, 로봇, 모바일 기기 등 핵심부품으로 사용되어 이차전지의 개발여부가 전방산업의 존폐 좌우

에너지저장시스템은 공공성이 중시되는 전력 인프라에 종속되어 있고 투지 회수기간이 긴 산업 특성상 새로운 변화에 매우 소극적이며 다양한 이해 관계자가 존재함으로 에너지저장시스템 산업 활성화를 위해서 이해 관계자의 합의점 도출이 필요

  • 에너지저장시스템을 활용한 새로운 비즈니스 모델이 창출되고 있으며 전지사업법, 소방법 등 전기안전관리에 필요한 법과 제도 개선을 포함하여 총괄적인 산업 활성화 시스템구축이 필요
  • 미국, 유럽, 입본, 증국 등에서 실증에 성공하여 상용화에 낙관적이나 리튬이차전지 및 NaS 전지에 비해 실증 및 상용화 단계가 다소 뒤처진 상태

[ 고출력 고에너지밀도 레독스 플로우 배터리 로드맵 ]

고출력 고에너지밀도 레독스 플로우 배터리 로드맵

* 자료: 한국에너지기술평가원

5. 핵심요소기술 선정

확정된 요소기술을 대상으로 중소기업에 적합한 핵심요소기술 선정

[ 레독스 플로우 배터리 분야 핵심요소기술 선정 ]

레독스 플로우 배터리 분야 핵심요소기술 선정
분류핵심요소기술키워드
전극 고활성 레독스 플로우 배터리용 전극의 표면처리 기술개발 가격 경쟁력을 위한 대량생산 및 집적화를 위한 전극 제조 전해질의 반응성을 높이기 위한 전극 확성화
대용량 전력저장용 전바나듐계 레독스 플로우 배터리용 복합전극 개발 활성물질이 강산에 용해되어 있으므로 화학적, 전기 화학적으로 안정해야 하며 전지에 적용했을 때 높은 효율이 나오는 기술
전해질 V2O2를 이용한 전해질 대량생산 및 고에너지밀도를 가지는 전해질 전해질 대량생산 및 고에너지밀도를 가지는 전해질 생산기술
고농도로 레독스 쌍을 용해시킬 수 있는 용매 및 첨가제 개발 고농도로 레독스 쌍을 용해시킬 수 있는 용매 및 첨가제 개발
이온 교환막 저저항 초박형 레독스 플로우 배터리 이온교환막 개발 레독스 플로우 배터리 이온 교환막 소재, 구조
이온교환막 물리화학적 및 전기화학적 열화 평가 기술 및 가속 수명 평가 기술 개발 이온교환막 열화 평가 및 가속 수명 평가를 위한 기술
분리판 고전기전도도 분리판 제조기술 개발 고전기전도도 분리판 제조를 위한 기술
고인장강도 분리판 제조기술 개발 고인장강도 분리판 제조를 위한 기술