리튬이온 배터리 시스템은 BMS(Battery Management System)와 배터리 시스템의 랙 구조에 관한 기술이다. 신재생에너지 저장, 가정용, 통신기지국용, 비상전원용 ESS는 물론 전기차량, 전기보트, 로봇, 드론용, 의료장비의 전원용 배터리 팩 등 다양하게 활용된다. 리튬이온 배터리 시스템 분야 특허 기술 트렌드 및 시장 동향을 살펴본다. <편집자>

BMS 보드(상)와 BMS를 장착한 배터리팩

전기를 일시적으로 저장했다 공급하는… ESS 배터리시스템

배터리시스템은 전기를 필요로 하는 설비에 연결되어 필요할 때 전기를 공급하기 위해 전기를 저장하는 에너지저장기술이다.

배터리시스템은 배터리 셀들(Battery 셀s)과 배터리관리시스템이 장착된 배터리팩(배터리 모듈)으로 구성되고, 전력변환기(인버터 또는 충전기)와 연결되어 충전과 방전을 수행한다. 전기를 일시적으로 저장했다가 공급하는 장치로 전력의 효율적인 관리를 위해 사용이 증가하는 추세이다.

배터리시스템은 다수의 배터리팩을 조합해 구성된다. 배터리팩 전압은 셀의 직렬 연결 수에 의해 정해지며, 보통 12V ~ 48V로 구성된다. 이러한 배터리팩은 용량에 한계가 있으므로 다수의 배터리 팩을 연결해 부하용량에 맞도록 용량을 증가시키게 된다.

리튬이온전지 시스템

하지만, 다수의 배터리팩을 병렬 연결 시에 효율적인 연결 방안을 제시하지 못해 배터리시스템 설치나 증설 시 비용이 증가하고 특정 배터리팩에 고장이 발생하면 전체 시스템이 정지되는 문제를 지니고 있다.

전력 손실 없이.. 오랜 수명이 관건

국내 LG화학 ESS 시스템의 리튬이온전지는 Stack & Folding 기술을 적용해 고에너지 밀도를 구현하고 소형화가 가능하고, 잦은 충방전에도 안정적인 구조를 유지해 수명이 긴 것이 특징이다.

LG화학은 2015년에 ESS분야 세계 1위 업체인 미국 AES Energy Storage(이하 AES)와 기가와트시(GWh) 규모의 배터리 공급계약을 체결한 바 있는데 AES가 2020년까지 전 세계 구축하는 전력망용 ESS 프로젝트에 LG화학 배터리를 사용하는 내용이다.

LG화학이 등록한 ‘리튬 이온 폴리머 셀 디가스 시스템 및 리튬 이온 폴리머 배터리 제조 방법(System For Lithium-Ion Polymer Cell Degas And Manufacturing Method)’ 특허는 리튬 이온 폴리머 셀 내부의 가스를 제거하기 위한 시스템으로, 전체 리튬 이온 폴리머 셀에 대해 전해액 유출량을 실시간 확인 및 자동 관리할 수 있어 불량시 조기 조치할 수 있다. 또 리튬 이온 폴리머 배터리 수명도를 균일하게 관리할 수 있다.

리튬 이온 전지에서 충전 전류가 크면, 전해액 중의 리튬 금속이 전지의 전극 표면에 퇴적되어 전극 열화를 초래한다. 또한 전지 중의 정극 및 부극이 리튬 금속을 통해 접촉해 내부 단락이 발생 될 수 있다. 

일본 Mitsubishi Electric이 등록한 ‘배터리 시스템’ 특허는 리튬 이온 배터리의 열화를 억제하면서 전력 손실없이 단시간에 배터리 온도를 균일하게 상승시킬 수 있는 시스템이다. 

연평균 38% 성장 리튬이온전지 ESS 시장

세계 리튬이온전지 ESS 시장 용도별 전망 ※ 자료 : SNE리서치, 키움증권, 2018

SNE Research 등의 전망을 인용하면, 세계 ESS 시장은 2016년 15GWh에서 2025년 140GWh로 연평균 28% 성장할 전망이다. 이 중 리튬이온전지 ESS 시장은 2016년 2.5GWh에서 2025년 92GWh로 연평균 49% 고성장할 전망이다. 매출액 기준으로는 2016년 8억 달러에서 2025년 145억 달러로 연평균 38% 성장할 것으로 예측된다.

이에 따라 ESS 시장에서 리튬이온전지가 차지하는 비중은 2016년 16%에서 2025년에는 66%에 이를 전망이다. 아직까지 가장 높은 비중을 차지하고 있는 납축전지 비중이 지속적으로 감소할 것이고, NaS전지와 Flow전지는 2025년 11% 수준의 입지를 확보할 것으로 예측된다.

기술&시장 분석 시리즈는 한국발명진흥회 지식재산평가센터가 다년간 축적해온 기술가치평가 보고서를 기반으로 작성됐다. 기술가치평가는 사업화하려는 기술이나 사업화된 기술이 해당 사업을 통해 창출하는 경제적 가치(금액)를 시장에서 일반적으로 인정된 가치평가 원칙과 방법론에 입각해 평가하는 작업이다. 한국발명진흥회 지식재산평가센터는 기술이전 및 사업화 촉진에 관한 법률 제 35조, 발명진흥법 제28조 등에 따른 정부 공인 기술평가기관이다.