분리막에게 요구되는 물적 특성 

1) 박막화(Thinning): 통상적으로 분리막의 두께는 얇을수록 좋다. 이유는 두 가지로, 첫 번째는 배터리의 저항과 관련이 있다. 두께가 두꺼워질수록 그만큼 저항이 증가하기 때문에 배터리의 출력 및 사이클 특성이 열화한다. 두 번째로는 에너지 밀도와의 연관성이다. 배터리 내부의 한정된 공간을 사용하여 에너지 밀도를 제고하기 위해서는 활물질의 양을 늘려야 하며, 이를 위해서는 분리막의 두께 또한 얇게 해야 할 필요가 있다. 현재 건식 분리막의 두께는 10μm 이상, 박막화가 용이한 습식 분리막은 5μm 수준까지 내려왔다.

2) 젖음성(Wettability): 분리막의 젖음성은 전극에 대한 전해액의 함침에 영향을 준다. 전해액이 전극을 구성하는 활물질의 표면을 충분히 적시지 못하면 용량 감소 등의 문제점이 유발한다. 전해액이 전극으로 이동하기 위해서는 분리막을 통과해야 하므로 궁극적으로 분리막의 전해액에 대한 젖음성을 증가시켜야 한다. LG화학의 코팅 분리막에 대한 특허 내용에는 ‘분리막의 표면에 극성 용매에 친화성을 갖는 점토 광물을 코팅되어 분리막 계면에서 전해액의 계면 저항이 낮아져 전해액이 분리막 내부로 침투하기 용이하게 되고, 결과적으로 전극으로의 이동성을 높여 준다’는 설명이 있다.

3) 기공도(Porosity): 기공도는 이온 전도도에 영향을 미친다. 기공도가 높을수록 이온 전도도와 전해질의 함침성이 개선되지만 너무 높을 시에는 물리적인 강도가 떨어진다. 통상적으로 전기차에 들어가는 분리막은 약 40% 수준의 기공도를 설정한다.

4) 열적 안정성(Thermal Stability): 고분자 소재인 PE와 PP는 각각 130℃와 170℃ 부근에서 용융이 시작된다. 배터리에 열화가 발생하면 내부 온도가 증가하는데, 이로 인해 분리막이 녹게 되면 결국 단락(쇼트) 및 화재로 이어진다. 따라서 코팅 등의 방법을 통해 내열성을 향상시키는 작업을 거친다.

- 다결정 양극재 구조는 배터리 압연공정(양극을 특정 두께로 코팅) 및 충/방전 과정에서 입자간의 균일 발생이 빈번하다. 이는 배터리 내 가스 발생을 유발하여 안정성을 훼손하고, 충방전 주기를 감소시켜 수명에 영향을 준다.

- 단결정 양극재는 금속 입자를 단일 입자화해 압연 공정 시 균열이 제한적이다. 배터리 내부 가스 발생 위험이 감소하고, 충방전 효율을 높여 배터리 수명 개선이 가능하다

- 이러한 장점에도 초기 100% 단결정 양극재로의 전환은 제한적이다. 

1) 높은 저항 값으로 인한 배터리 온도 상승, 

2) 압연 공정 시 단결정 입자 손실의 문제점이 잔존하기에, 

초기에는 “다결정 대구경 + 단결정 소구경”의 배합으로 배터리 에너지밀도 증가, 안정성 및 수명 개선이 점진적으로 진행될 것으로 판단한다

- 단결정 양극재는 입자 크기의 균일도가 중요하다. 입자의 크기가 너무 큰 경우 Li의 확산 길이를 증가시키고, 전도도가 낮아지는 단점이 있다. 반대로 입자의 크기를 줄이면 표면적 대비 부피 비율과 표면 열화 위험이 증가하는 단점이 있다.

Tesla가 4680 원통형 셀 적용을 고집하는 이유는 

1) 21700 대비 55배의 에너지 밀도, 주행거리 +16%, 6배의 출력, 

2) 21700 대비 무게 10% 감소, CTC 부피 14% 감소, 배터리 비용 14% 감소, 

3) 배터리 셀 감소로 효율이 좋기 때문에 충전시간 획기적 단축이 가능하기 때문이다

실리콘음극재 

기술분석

1) 실리콘 음극재 제조의 기반 기술은 다양하겠으나, 상용화에 근접한 것은 SiOx와 Si-C다. SiOx, Si-C는 실리콘 음극재의 pure 실리콘의 부피 팽창 이슈(Swelling), 실리콘 나노화의 한계로 인해 도입된 실리콘 화합물이다.

SiOx는 수명 안정성, 즉 부피 팽창 이슈에서 Si-C 대비 우수한 평가를 받는다. 실리콘과 산소는 리튬 이온과 구조적으로 결합하게 되는데(Si-O-Li 비가역 상 형성), 결합체의 비가역 특성으로 인해 안정적으로 음극재 구조 유지가 가능하다. 

SiOx는 쿨롱 효율이 낮다. 즉 용량 손실이 발생하여 Si-C대비 에너지 밀도 상승에 한계점을 지닌다. 해당 한계점 극복 위해 SiOx를 채택한 다수의 기업은 CVD Carbon 코팅 또는 마그네슘 등의 이종 금속 추가하는 공정을 동시에 진행하고 있다

Si-C는 SiOx 대비 높은 쿨롱 효율을 나타낸다. 실리콘과 탄소의 기계적 결합을 통해 제조한 복합체인 만큼 리튬 이온의 자유도는 상승, 상대적으로 에너지 밀도 상승에 용이하다.즉 실리콘 음극재 도입 목적에 부합한다.

소비자들이 자동차를 운전할 때, 주행거리에 대한 부분을 크게 신경 쓰지 않게 되는 수준이 1회 충전 시 주행 거리 600km 수준이라고 가정하면, 현재 전기차 평균 1회 충전 시 주행거리 400km를 감안할 때, 약 50%의 배터리 용량 증가가 필요하다. 양/음극재 무게를 더 늘리지 않는다고 가정하고, 양극재의 에너지 밀도 개선이 이론적으로 250mAh/g를 넘기기 어려움을 감안하면, 실리콘 음극재의 용량 밀도를 약 70% 향상 시켰을 때 (20wt%) 배터리 용량은 약 20% 증가한다. 상기한 필요량 50%에는 미치지 못하므로 중장기적으로 실리콘 음극재 함량 증대를 위한 개발이 지속될 것으로 판단한다.

시장 분석 및 전망

양극재 대비 절대 규모는 작으나 음극재 시장 성장 역시 가팔랐다. 글로벌 음극재 수요는 2018년 7.9만톤, 2020년 11.5만톤, 2022년 39.4만톤으로 연평균 +49%, 금액 기준으로는 2018년 6.3억달러, 2020년 9.5억달러, 2022년 35.0억달러로 연평균 +53% 증가했다. 한편, 실리콘 음극재 시장 규모는 2022년 기준 약 6천톤으로 음극재 시장 내 무게 기준 점유율은 1.4%에 불과하다. 다만, 주목할 점은 금액 기준 점유율이다. 2022년 금액 기준 실리콘 음극재의 시장 점유율은 11.1%다. 이는 약 60~80달러/kg 수준의 높은 가격(흑연 계열 음극재 가격 약 8달러/kg)에 기인한다. 향후 실리콘 음극재의 시장 침투를 더디게 하는 요소다. 다만 공정 개발 지속 중이라는 점과 규모의 경제 효과 감안할 때 실리콘 음극재 가격은 향후 40달러/kg 수준으로 하향 안정화될 것으로 전망한다.

배터리 수요 증가 과정에서 양극재 및 음극재 수요 동반 증가할 것으로 전망하나, 그 폭은 배터리 대비 완만할 것으 로 판단한다. 증가폭 둔화는 하이니켈 양극재, 실리콘 음극재 침투율 상승 과정에서의 평균 용량 밀도 증가에 기인한다. 다만 실리콘 음극재 수요 증가율은 전체 음극재 수요 증가율을 큰 폭 상회할 전망이다. 금액 기준 시장 규모 역시 유사한 흐름 전개될 것으로 전망하며, 음극재 시장의 경우 실리콘 음극재 침투율 상승 과정에서 Blended ASP 역시 동반 상승할 것으로 판단한다. 즉 음극재 수요 증가율이 배터리 시장을 하회함에도 불구하고 금액 기준 시장 규모의 성장률은 배터리 시장 규모 성장률을 상회할 것으로 전망한다.

환경분석

- 최근 공급 계약 공시된 엘앤에프의 Tesla향 하이니켈 양극재가 니켈 함량 90%를 상회하는 점은 추가적인 에너지 밀도 개선을 위한 실리콘 음극재 채용이 임박했음을 의미하는 부분이다.

- 2023년 현재, LG에너지솔루션은 실리콘 함량 100%인 ‘퓨어 실리콘(Pure Silicon)’ 음극재 시제품 평가 진행할 계획이다. 실리콘 함량이 높아 앞에서 언급한 SiOx, Si-C 대비 에너지 밀도 증가폭 클 것으로 기대되나, 상용화 가능성은 낮다고 판단한다.

- 삼성SDI는 자체 고유 기술인 ‘SCN(Silicon Carbon Nanocomposite)’을 적용해 P5(舊. Gen5) 배터리에 실리콘 음극재 적용 중이며, 5~7% 수준인 실리콘 함량을 향후 두자릿 수%까지 높일 계획이다. 

- CATL은 Benz 뿐만 아니라 Porsche 마칸 EV에도 실리콘 음극재 탑재 배터리 공급 예정으로, 점진적으로 실리콘 음극재 비중 높여갈 계획이다

'더 좋은' 배터리 위해 '더 많은' 채용이 요구되는 소재 

The more, the better. 2차전지 소재 산업의 성장성 평가를 위한 핵심 키워드다. '더 좋은' 배터리를 만들기 위해 '더 많은' 채용이 요구되는 소재의 성장이 가파를 것이라는 건 당연한 명제이나, 해당 기준에 부합하는 소재군은 의외로 많지 않다. 더 좋은 배터리라 함은, 대용량 배터리(전기차 주행거리 확장 구현), 충전 속도가 빠른 배터리(충전 시간 단축)로 구체화할 수 있는데, 이를 위해 더 많은 탑재가 요구되는 소재는 하이니켈 양극재, 실리콘 음극재, CNT 도전재 등이다. 하이니켈 양극재의 파괴력은 증명되었다. 향후에도 양극재의 성장성은 확고하다. 이와 함께 추가적인 배터리 용량 증대 및 충전 속도 향상을 구현하는데 기여하는 소재군에 대한 관심이 필요하다. 특히, 전기차 보조금이 축소되는 유럽 및 중국과 달리, 보조금 지급 초기 단계로서 수요 동력이 가장 강한 미국 시장의 경우, 대형차 비중이 높은 시장 특성상, 시장이 요구하는 용량 및 충전 속도 기준이 매우 높다. 이에 따라 해당 조건을 충족하기 위해 더 많은 탑재가 요구되는 소재군들의 수혜가 클 것으로 판단한다.

하이니켈 (Ni 90% 이상, 단결정) 

삼원계와 LFP의 차이점은 분명하다. 니켈은 용량을 높여주는 금속이기에 삼원계가 LFP에 비해 적은 양으로도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다. LFP의 에너지 밀도가 올라오고 있지만, 아직 니켈 함량 80%의 삼원계 수준까지는 따라오지 못했다

국내 양극재 기업들은 니켈함량 90% 이상의 NCM9.5.5, NCMA 양극재까지 양산하고 있다. 리사이클링 산업이 성숙하여 회수가치가 높아지면 하이니켈 양극재의 경쟁력은 더 올라갈 수 있다. 다만 하이니켈 양극재는 충방전 반복시 용량 감소 문제를 해결해야 하는 과제가 있다.

니켈 함량이 높을수록 충방전 시 더 큰 부피변화가 나타나는데, 그에 따라 입자 크랙이 발생하고 크랙으로 전해질이 스며들며 소모되어 용량이 감소되기 때문이다. 이는 안정성을 높여주는 금속인 알루미늄 도핑/코팅기술과 NCMA 개발로 이어졌다. 또한 기존 다결정에서 강도가 증가하여 크랙 발생이 억제되도록 하는 단결정 양극재 개발도 진행 중이다.

LFP

글로벌 완성차 기업들은 전기차 보급 확대를 위해 Entry모델에서 저렴한 LFP 채택을 늘릴 계획이다. 이뿐만 아니라 ESS에서도 LFP 채택이 늘어나고 있다. Tesla는 Model 3, Model Y 스탠다드 레인지 모델 일부에 LFP 배터리를 탑재하고 있으며, 향후 전체 배터리 수요에서 LFP배터리가 61%를 차지할 것이라고 전망했다. 

LFP 양극재의 명확한 장점은 비용 절감이다. 밀도는 중국 기업들의 양산 셀 단위 기준 210wh/kg까지 개선되었다고 알려져 있다. (SVolt 200wh/kg 양산, Gotion Tech 2022년 말 에너지 밀도 230wh/kg LFP배터리 양산 발표) 이는 미드니켈 삼원계 양극재와 가까운 수준의 밀도이기에 LFP가 미드니켈 양극재의 경제성을 압도할 수 있다. 수산화리튬의 정제시설 부족으로 탄산리튬-수산화리튬의 스프레드가 높게 지속될수록 비용측면에서 LFP는 또 나은 선택이 될 수 있다. 또한 LFP양극재에서 IRA 핵심광물요건을 충족해야 하는 광물은 리튬뿐이고 철과 인은 해당이 안 된다.

추출 혹은 가공을 북미나 미국과 FTA를 맺은 국가에서 해야하는데, 리튬의 정제시설은 중국에 주로 분포하지만 생산지는 호주/칠레 비중이 높아 요건을 만족하기에 비교적 유리하다. 이에 오히려 LFP 배터리를 탑재한 전기차가 세액공제를 받기에 훨씬 유리할 수 있는 상황이 연출 될 수 있다.

지금은 내재화 경쟁 

OEM 및 셀기업들의 광물 투자도 이제 막 시작단계이기에 실제 조달이 늘어나기 전까지 그들의 소재 파트너 선택 기준은 ‘중국 외에서 안정적인 광물 밸류체인을 가졌는가’가 될 것이다. 원료내재화의 장점은 단기적으로는 IRA 법안에서 우려기관 광물 수급 관련 리스크를 피할 수 있다는 점이다. 이는 셀 및 OEM사들의 소재 공급망 다변화에서 채택될 가능성 높여줄 것이다.

삼성SDI-GM 합작사 향으로 포스코퓨처엠이 장기공급계약을 맺은 것이 그 예가 될 수 있다. 장기적으로는 원료내재화를 통해 마진의 확장이 가능하다. 리튬 기업들의 평균 영업이익률은 2021년 27%, 2022년 무려 56%이다. Upstream에서 소재에 들어가는 최종 원재료 제품까지 그 스프레드 격차가 어마어마하다는 의미이다. 니켈 역시 전구체 원료인 황산니켈은 일반 Nickel 보다 15~20%의 프리미엄을 받고 거래된다. 따라서 적어도 Midstream부터만이라도 원료를 내재화하면 최종 제품으로 원재료를 조달해올 때보다 마진의 확장이 가능하다.

• 리튬 가격 변동성과 경험 – 수요는 공급을 창출한다

• 탄산리튬 가격을 따라가는 수산화리튬 가격

• 2분기 양극재 판가 하락은 불가피

리튬 가격 변화와 2 차전지 산업 

리튬 가격에 대한 시장의 논쟁이 생기게 된 배경은 아무래도 리튬이 지난해 양극재 업체들의 매분기 실적 서프라이즈를 낳았던 주요 메탈 소재이기 때문이다 . 리튬 생산 공정이 다르고 제품의 쓰임새가 다르니 탄산리튬과 수산화리튬의 가격이 다른 것에 의문을 가지지 않는다 . 하지만 시장 수요 정도와 리튬 생산 여력에 따라 전환 공정을 통해 탄산 리튬과 수산화리튬 수요를 대응할 수 있기 때문에 리튬 가격 추세는 서로 따라가는 것이 합리적이다 . 수산화리튬과 탄산리튬의 Arbitrage 가 생기면 경제적 이득을 노리는 시장이 놓치지 않을 것이기 때문이다 . 물론 , 구매 계약 조건이나 구매 형태 사급 여부 등 에 따라서 절대 가격 차이는 업체마다 다를 수 있다 . 그래도 추세는 다르지 않다 . 따라서 최근 5 개월 내리 빠진 리튬 가격이 연동되는 2분기 양극재 판가는 자유롭지 못할 것이다

- 실리콘음극재는 원소재, 음극활물질, 셀, OEM사가 연결된 밸류체인으로 구성돼 있다.

- 실리콘 파우더 또는 실란가스 등이 원재료가 된다.

- 활물질 제조 기업들은 SiOx, Si/C 등 음극재를 셀사에 공급하고 현재 일부 고급 전기차 모델에 탑재된다

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- LG화학은 양극재, CNT 파우더, 슬러리, 바인더 등을 생산해 LG에너지솔루션에 공급한다.

- SK는 실리콘음극재 투트랙 전략을 택했다.

1) 2021년 SK머티리얼즈그룹포틴 JV를 설립했다. SK스페셜티(2022년 9월~2024년 4월까지 2,504억원 설비 투자)가 실

란가스(SiH4)를 생산해 SK머티리얼즈그룹포틴 실리콘음극재 공장에 공급한다. 향후 매출액 발생 시 Group14에 기술 로열티를 지급하는 계약을 체결했다.

2) SKC는 영국 음극재 기업 Nexeon에 지분투자를 단행했다. 2023년 생산 플랜트 시설 착공에 들어간다.

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- 포스코는 포스코케미칼 자체 진행과 포스코실리(구 테라테크노스)계열사 편입 등 종합 배터리 소재사로 진화 중이다.

- 이녹스도 배터리 소재 밸류체인 수직계열화에 나섰다. 이녹스 계열사 알톤스포츠중국 법인 알톤(천진)자전거유한공사는 현지 시장 폐슬러지를 소싱해 관계사인 티알에스에 공급한다.

- 티알에스는 실리콘파우더 제품 생산 및 상품 판매를 담당한다. 폐슬러지로부터 실리콘 파우더를 회수해 국내외 음극 활물질 제조사에 공급한다. 실리콘 파우더 Capa를 2022년 말 1,200톤/연에서 2025년 12,000톤/연 내외까지 늘리는 증설에 착수했다

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공격적인 Capa 증설, 전방 수요의 프록시

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Capa 증설은 전방 실리콘음극재와 CNT도전재 수요 확대를 의미한다. 배터리셀 스펙 구성은 최종 고객사인 완성차 OEM부터 차량 출시 최소 2~3년 전부터 협의 후 정해진다.

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- 대주전자재료와 포스코그룹은 실리콘음극재 Capa를 2025년까지 20,000톤/연 이상으로 확충한다.

- BTR은 2028년까지 퓨어실리콘음극재 40,000톤/연로 증설한다.

- 2025년까지 ShanShan은 9,500억원을 투자해 40,000톤/연, 성화신소재 30,000톤/연, 톈무선도(iopsilion) 50,000톤/연 구축을 계획 중이다.

- OCSiAl은 러시아, 세르비아, 룩셈부르크 거점에 SWCNT 파우더 Capa를 2026년 250톤까지 증설한다. SWCNT는 적은 양으로도 배터리 음극 대응이 가능 가장 큰 양산 규모이다.

- LG화학은 현재 여수 공장에서 CNT 1,700톤/연 Capa로 가동 중이다. 현재 여수에 2023년 가동 예정인 CNT 3공장(1,200톤/연)을 증설 중이고 대산에도 CNT 4공장을 건설해 2024년 말 6,100톤/연을 확보한다

- 금호석유화학은 아산 120톤/연, 여수 240톤/연(2024년 예정) 생산능력을 갖춘다.

- 제이오는 2022년 말 1,100톤/연 수준에서 2025년 6,000톤/연 이상까지 증설한다.

- 나노신소재도 약 500억원 투자로 미국, 폴란드, 일본 지역에 2차전지 대응 라인을 신축한다. 해외공장별 10,000톤/연 이상의 Capa를 갖출 것으로 추정한다. 중국 Cnano는 2024년까지 분산액 150,000톤/연 Capa를 확보할 예정이다