2차전지 산업 공부 #5 - 리튬 이온 배터리 소재 - 양극재(양극 활물질)

 

• 아래는 현재 작성 중인 기업 분석 연습 및 개인의 공부 목적으로 작성 중인 보고서의 일부분이며 매주/매도 추천이 아님을 밝힙니다.
• 비전공자이기 때문에 내용이 정확하지 않을 수 있습니다.

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https://20200818.tistory.com/24

2차전지 산업 공부 #3 - 리튬이온배터리#1

https://20200818.tistory.com/25

2차전지 산업 공부 #4 - 리튬이온배터리#2

 

 

리튬 이온 배터리 소재

 

전기차의 원가 중 리튬이온배터리가 대략 40% 이상을 차지하고 있으며 리튬이온배터리의 원가 중 소재가 차지하는 비중이 대략 50~60%이다. 바꿔 말하면 전기차 원가의 상당 부분을 배터리 소재가 차지하고 있다.

 

전방 시장인 전기차 시장의 확대로 배터리 셀, 소재 수요가 급증하고 있는 가운데 주요 완성차 업체들이 배터리 업체에 요구하는 사항은 명확하며 이는 소재 혁신을 가속화할 것으로 전망되고 있다.

 

• 주행 거리 향상
• 충전 시간 단축
• 안정성 향상
• 저온 성능 개선
• 수명 증가
• 배터리 가격 하락

 

특히 완성차 업체들의 배터리 셀 가격 인하 압박이 거세지고 있어 배터리 소재 업체의 원가 경쟁력 확보를 위한 노력이 필요한 시점이다.  

 

이러한 이유로 완성차 업체의 배터리 수직 계열화 및 베터리 업체들의 배터리 소재와 배터리 원료(e.g 리튬, 흑연 등)에 직접 투자하고 있다.

 

https://www.chosun.com/economy/industry-company/2021/06/04/EYCSLGS3YZHP7D6O7N3JTF5RYM/

해외광산까지 샀다… 대기업들 ‘배터리 소재’에 통큰 투자

 

https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2021080817174436565

배터리3사, 배터리 넘어 '이것'에 직접 투자하는 이유 - 머니투데이

 

아래는 각 주요 소재의 사진과 Supply chain 현황이다.

출처 : 한국IR협의회 혁신서장품목분석보고서 리튬이온배터리

출처 : 하이투자증권

양극재

 

양극재는 양극(Cathode) + 소재(Material)로서 영어로는 Cathode Material이다. 즉, 양극에 사용되는 소재의 줄임말이 양극재이다.

 

아래 두 그림 및 Supply chain에 나와 있는 것과 같이 양극재는 합제(활물질, 도전재, 바인더) + 알루미늄기재로 이뤄져 있다.

출처 : 삼성SDI

출처 : 하이투자증권

 

양극 활물질(Cathode Active Material)

 

리튬이온배터리에서 공부한 것과 같이 양극 활물질은 리튬금속산화물(LiMO2, M은 금속(Metal))의 형태로 리튬이온(Li+)을 공급해 주는 역할이다. 양극은 배터리의 수명, 용량, 출력량을 결정짓는 물질이다. 이는 리튬이온배터리의 용량이 리튬 개수로 결정되기 때문이다. 배터리 용량이 증가한다는 1회 충전당 주행거리가 길어진다는 의미이다.

 

2019년 SK엔카에서 진행한 설문조사에 따르면 소비자들이 가장 아쉬워하는 것이 주행 가능 거리라는 조사 결과가 있으며 이를 주행거리에 가장 큰 영향을 미치는 만큼 양극 활물질 소재 혁신이 중요하다.

 

출처 : 한국투자증권

 

리튬금속산화물에서 금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(AI), 인(P)등이 사용되며, 니켈은 고용량, 망간, 코발트, 인은 안전성, 알루미늄은 출력 특성을 향상하는 역할을 한다. 리튬금속산화물에서 금속의 구성에 따라서 LCO(LiCoO2), LFP(LiFePO4), LMO(LiMn2O4), 그리고 삼원계 (NCM(Li[Ni,Co,Mn]O2), NCA(Li[Ni,Co,Al]O2) 등)로 구분된다. LCO가 대표적인 리튬이온배터리의 소재이며 상업화 초기에 많이 쓰였고 LCO에서 코발트 일부를 니켈, 망간 또는 알루미늄으로 대체한 삼원계 NCM과 NCA이다.

 

출처 : 한국IR협의회 혁신서장품목분석보고서 리튬이온배터리, 하이투자증권, 키움증권, 재가공

출처 : 하이투자증권

 

결정격자구조에 대해선 간략하게만 설명하자면,

 

층상(Layered) 구조는 말 그대로 구조가 층의 형태로 되어있는 것으로 결정 격자층 사이에 리튬이온이 저장되어 가장 많은 리튬이온을 저장할 수 있다. 용량이 높은 반면에 충전 시 안전성이 떨어진다. 올리빈(Olivine) 구조와 스핀넬(Spinel) 구조는 안전성이 높은 반면에 위와 같은 단점이 있다.

 

양극 활물질의 가장 중요한 금속은 배터리 용량을 높여 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있게 만드는 니켈(Ni)이다. 이 때문에 소위 하이 니켈(High-nickel)이라고 말하는 니켈 함량이 높은 양극 활물질을 이용한 양극재가 앞으로 시장의 대세 수요가 될 것으로 전망되고 있다.

 

출처 : 에코프로비엠

 

하지만 니켈 비중이 높은 양극재는 불안정하다는 문제가 있다. 니켈의 반응성이 높아 전해액과 만나면 분해 반응을 유도해 비가역적(irreversible)인 용량 손실이 나타나거나, 양극 표면에 불순물을 생성하고 양극 활물질 구조를 변형시키고 따라서 2차전지 사이클 특성(수명) 감소와 폭발 등 안정성 문제가 발생하게 된고 한다. 현재 NCM622 (니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%), NCA811(니켈 80%, 코발트 10%, 알루미늄 10%), NCA(니켈 90%) 등이 주를 이루고 있고 하이 니켈을 활용해 에너지 밀도를 더 높이고 안전성도 높이기 위한 연구 개발이 진행되고 있으며 NCM91/21/2(니켈 90%, 코발트 5%, 망간 5%) 또한 내년 상용화를 앞두고 있다.

 

2020년 한국투자증권 리포트 “2차전지 전지적시점”에 따르면 하이니켈의 보완한 기술 현황은 아래와 같으며 마지막 cobalt-free는 기술적 관점보다는 원가 측면에서 하이니켈의 대안으로 볼 수 있다.

 

출처 : 한국투자증권

NCMA 양극재는 기존 구성 금속에 소량의 알루미늄을 첨가해 니켈 과잉에 따른 균열 발생을 막고 사이클 특성을 개선해 전기차용 배터리를 오래, 안전하게 사용하도록 만드는데 초점이 맞춰져 있다. NCMA는 기존 니켈의 비중(80~90%)을 올리는 것보다는 안전성에 초점을 맞춘 기술이며 LG에너지솔루션에선 2022년 도입을 목표로 하고 있다. NCMA는 NCM에 알루미늄 A를 추가한 구조로 대표적인 사원계 양극재이다. 사원계 양극재는 뒤에 이어 설명하도록 하겠다.

 

입자제어 CSG(Core-Shell Gradient) 기술은 에코프로비엠이 보유한 기술로 리튬산화물 입자로 되어있는 양극활물질 양산에 적용되었다. CSG는 에너지 밀도를 높이고 수명을 늘리기 위해 입자의 니켈 함량을 높이고 코팅과 열처리를 가하는 기술이 입자제어 기술이다. 핵심은 안정성이 높은 망간(Manganese) 비중을 입자의 표면에서 높게 가져가고, 에너지밀도의 핵심이지만 불안정한 반응을 보이는 니켈(Nickel) 비중을 입자 내부에서 높게 가져가는 것이다. 2020년 리포트가 나왔을 당시 “차세대 입자제어 기술 FCG(Full Concentration Gradient)는 국내에서 상용화가 진행 중인 것으로 파악된다.” 고 되어있으나 아직까지는 적용된 양극재는 없는 것으로 보인다.  

 

현재 NCM, NCA 등 양극 활물질은 입자들이 모여 만들어진 다결정 구조로 결정이 뭉쳐 있는 형태이다. 하이 니켈, 니켈 비중이 늘어날수록 소재 구조, 표면 특성상 불안정성이 커질 수밖에 없다. 다결정 구조에서 충방전을 하게 되면 구조에 균열이 생기고, 원치 않는 층이 형성되거나 리튬이온 이동을 막는 등 양극활 물질의 기능을 잃게 하여 배터리 반응을 떨어트리게 되어 결국에는 배터리 성능과 수명을 저하시키는 원인이 된다. 단결정 양극활 물질은 다결정보다 10배가량 강도가 높으며 다결정의 단점인 배터리 성능 및 수명 저하를 개선할 수 있다. 기존 양극재 업체와 테슬라가 적용을 준비하고 있다. 최근 국내 스타트업인 에스엠랩(SMLAB)에서 니켈 함량 98% 양극재를 개발했다는 기사가 있어 화제가 되었는데 단결정 구조를 적용하였으며

 

http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=13888

에스엠랩, '니켈 함량 98%' 양극재 개발… 내년 양산 목표 - 전자부품 전문 미디어 디일렉

출처 : THEELEC

 

많은 국내 양극재 업체가 단결정이 적용된 양극재 양산을 내년 목표로 잡고 있으며 2~3년 안에 단결정 양극재 수요가 폭발적으로 증가할 것이며 성능 및 수명 저하를 해결하는 기술로서 대안이 없다면 추후에는 단결정 양극재가 주류가 될 것으로 예상한다.

 

하이투자증권 리포트에 따르면 단결정 양극재는 가공비 절감 효과까지 있다고 보고 있어 소재 원가 절감에도 도움이 될 것으로 보인다.

 

출처 : 하이투자증권

 

“리튬 이온 배터리 소재”의 서두에서 소재 업체들의 원가 경쟁력이 중요하다고 설명하였다. 원가 경쟁력에서 코발트의 가격이 상당한 영향을 미치고 있어(니켈 가격의 2배 이상) 코발트 함량을 낮추는 방향으로 소재 개발이 이뤄지고 있다. 코발트는 희귀 금속으로 콩고민주화공화국에서 전체 공급의 대략 60%를 차지하고 있고, 노동 착취 등의 문제가 있는 분쟁 광물이기 때문이다.

 

위 설명한 바와 같이 양극 활물질 개선, 개발의 방향은 배터리 용량을 증가시킬 수 있는 하이 니켈이다. 하이 니켈이라는 말은 배터리 양극 활물질에서 니켈의 비중을 증가시킨다는 것으로 반대로 이야기하면 리튬금속산화물에서 니켈의 비중이 올라간 만큼 다른 금속이 비중이 줄어든다는 것을 의미한다. 특히 코발트의 비중이 줄어들면 양극 활물질 원가 경쟁력에 큰 영향을 미치는 만큼 양극 활물질 기술 개발은 니켈 비중을 극대화하는 것에 집중되어있다. 중국 업체들의 경우 삼원계(NCM, NCA)가 아닌 코발트를 사용하지 않는 LFP을 채용하고 있어 중국 외의 국가에 적용되는 것이나 최근 테슬라에서 일부 상용차에서 LFO 배터리를 사용할 것이라고 발표하였다. 이는 중국 시장을 무시할 수 없고 CATL에서 배터리 공급 및 중국에서 생산되는 차량을 고려한 것으로 보인다.

 

https://cmobile.g-enews.com/view.php?ud=202108121405107261e8b8a793f7_1&ssk=pcmain_0_1&md=20210812152539_R

테슬라, '리튬 철 배터리' 주목...EV산업 변화 예고

 

중국 외의 국가에선 니켈 비중을 극대화한 하이니켈 양극재에 집중될 전망이다.

 

코발트 함량을 낮추기 위한 방안으로 망간 비중을 올린 망간 리치(Mn-rich) 기술 개발도 활발히 진행 중에 있다. 망간(Mn)은 코발트보다 원재료 조달이 용이하고 니켈보다도 가격이 70%가량 저렴하다. 가격이 저렴하나 에너지 밀도가 낮아 주행거리 연장에 한계가 있어 이를 극복하기 위한 연구 개발이 진행 중이다.

 

올 초 폭스바겐은 Power Day에서 하이 망간 양극재 사용에 대한 장기 전략을 언급하였다. IDTechEx는 폭스바겐이 고망간 양극재를 개발하려는 동기가 에너지 밀도 향상이 아닌, 비용을 줄이고 코발트를 사용하지 않으려는 목적에서 비롯된 것이라고 지적했다. 즉, 하이 니켈과 비교할 수 있는 에너지 밀도를 제공할 수 없으나 비용 절감의 목적으로 코발트를 대체하여 코발트 사용 대비 에너지 밀도를 유지 또는 비슷하게 가져가는 것이 하이 망간 양극재이다. IDTechEx의 따르면 하이망간은 아래의 3종류가 있으며 이중 망간 리치는 NCM, NCA과 비교하여 용량 향상을 제공한다.

 

출처 : IDTechEx

 

또한 하이 망간의 전망은 아래와 같으며 2023년부터 주류를 이룰 것으로 전망하고 있으며 일부 국내 양극제 업체에선 2025년 하이 망간 양극재 양산을 목표로 하고 있다.

 

출처 : 하이투자증권

양극 활물질의 방향에 대해서 정리하면 주행거리 향상을 위한 하이 니켈, 니켈 고함량에 따른 단점을 보완(e.g. NCMA, 입자 제어기술, 단결정 등) 및 원가 경쟁력 향상을 위해 코발트 함량을 낮추기 위한 망간 기술 개발이 활발이 이뤄지고 있으며 몇 가지는 이미 상용화 단계에 있으며 이 기술들이 독자적으로 적용되는 것이 아닌 복합적으로 함께 적용되고 있다.

 

위에 간략하게 언급된 사원계는 삼원계에 한 가지 금속을 더 추가한 양극재로 NCMA가 대표적이다. 국내 양극제 생산 업체 중 포스코 케미칼과 엘엔에프는 NCMA, 에코프로비엠은 NCMX를 준비 중에 있다. NCMX는 에코프로비엠에서 개발한 것으로 NCM에 알루미늄뿐만 아니라 다양한 금속을 적용할 수 있는 라인업으로 X에 대해선 아직 명확하게 공개되지 않았으며 NCMX에는 단결정 구조가 적용된 것으로 알려져 있다.

 

각 양극재 업체의 계획이 니켈 함량을 올려 주행 거리를 늘리기 위한 연구 개발이 활발이 이뤄지면서 동시에 무조건 주행 거리를 늘리기 위해서 단순히 니켈 함량을 올리는 것이 아닌 주행 거리를 늘리면서도 배터리 수명 및 안전성 그리고 가격 경쟁력을 위한 Optimize 최적화된 배터리 개발 및 다양한 배터리 라인업을 갖추기 위해서 노력 중인 것으로 보인다.