Update2024.05.22 (수)
혁신소재개발·재료비 절감 ‘사활’
■NCM계 양극재 급성장
현재 LIB시장에서 쓰이는 양극소재로는 양극활물질의 종류에 따라 리튬코발트(LCO)계, 리튬니켈코발트망간계(NCM)계, 리튬니켈코발트알루니늄계(NCA), 리튬망간계(LMO) 및 리튬인산철계(LFP)등 총 5가지다.
이중 서로 경쟁하며 시장을 이끄는 것은 LCO계와 NCM계다. LCO계는 LIB가 양산을 시작한 1991년부터 쓰인 소재로 용이한 합성, 우수한 수명특성, 고효율 특성 등을 지녔다. 그러나 충전말기의 구조적 불안정성으로 한계 용량이 150mAh/g 정도로 낮고, 코발트화합물은 매장량의 한계로 리튬보다 매우 비싸다. 또한 환경적인 문제점으로 인해 가격이 비싼 코발트 대신 니켈이나 리튬 함량을 증가시키는 등 새로운 양극활물질이 연구되고 있는 상황이다.
이에 LCO계보다 성능은 비슷하면서 원가 부담이 적고 165mAh/g 정도의 용량을 얻을 수 있어 전기자동차에도 적용할 수 있는 NCM계가 큰 성장을 보이고 있다.
특히, 한국 시장은 NCM계의 성장 속도가 세계에서 가장 큰 시장이다. 2009년까지만 하더라도 엘앤에프(엘앤에프신소재 포함)와 대정에엠에서만 생산되다가, 2011년부터는 에코프로가 참여했고, STM(삼성정밀화학과 일본 Toda의 합작사) 및 코스모신소재가 신규 참입할 예정으로 있다. 여기에 최근 들어 포스코ESM(보광그룹 휘닉스소재와 포스코의 합작사)이 가세하는 등 6개 NCM 전문업체가 치열한 경쟁을 보이고 있다. 올해 국내 생산캐파는 1만4,640톤, 수요는 1만3,504톤으로 예상됨에 따라 처음으로 공급과잉으로 전환될 전망이다.
LMO계는 저가의 망간 사용, 3차원 터널구조로 인한 우수한 구조적 안정성이 강점이다. 용량은 100mAh/g으로 낮아 전동공구용과 같은 저가 셀에 3성분계 소재 등과 혼합해 일부 적용되고 있다. 그러나 출력 특성과 안전성이 뛰어나 출력특성이 우선 시 되는 하이브리드카(HEV)용 양극재로 가장 많이 채택되고 있어 향후 시장 전망이 낙관적이다.
LFP계는 1998년 미국 Goodenough교수에 의해 최초 발표된 이후, 전동공구용 전지에 적용하고 있으며, 높은 안전성으로 인해 HEV용 등 대용량, 고출력 응용분야에 주로 적용되고 있다. 방전전압이 기존 양극재에 비해 낮다는 단점이 있으며 이를 극복하기 위해 철(Fe)을 망간(Mn)이나 니켈(Ni) 등으로 치환한 소재개발이 활발하게 진행 중이다.
■음극재 국산화 ‘러시’, 非흑연계 소재개발
음극재는 리튬이온과 전자를 전지 충전시 저장했다가 방전시 내어주는 역할을 한다. 솔라앤에너지에 따르면 현재는 음극재로서 흑연(Carbon)류가 전체 96%를 차지하고 있으며 이 중 천연흑연(광산 채취)과 인조흑연(코크스 고온 처리)이 약 53:47의 비율로 사용되고 있다. 초기엔 특성 뛰어난 인조흑연이 주로 사용됐으나 LIB가격 하락으로 가격이 저렴한 천연흑연 사용비율이 증가하는 추세여서 올해 천연흑연 사용비율은 전체 62%로 늘어날 것으로 관측되고 있다.
그러나 카본류는 최대 저장용량(372mAh/g)이 낮아 중대형에 적용하기 힘들다는 점과 리튬금속이 석출되는 안전성에 대한 우려가 있다. 이를 극복할 수 있는 실리콘계, 금속 합금계，산화물계 및 금속/탄소 복합계 등 신규소재가 국내외에서 개발 중이다.
현재 상용화 사례는 극히 일부분이나 전기차에 적용되며 2014년에는 전체 음극재시장의 5%를 차지할 것으로 전망되고 있다.
미국과 일본 등은 고용량 음극소재로서 실리콘(Si) 및 주석(Sn)등의 금속계 소재를 이용한 소재 개발을 활발히 진행하고 있다. 국내에서는 삼성 SDI, LG화학 등 대기업에서 리튬 금속을 이용한 합금계 음극의 비가역 용량 개선에 관심을 보이고 있는 것으로 알려지고 있다.
에너지저장용에 있어서는 탄소계 소재를 대신해 티탄산리튬(Li4Ti5O12)이 뛰어난 출력과 안전성으로 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
현재 국내 음극재 국산화율은 이차전지 4대 핵심소재 중 가장 낮은 상황이다. 이는 일본에 비해 10여년 늦게 양산을 시작한 탓도 있지만 그동안 소재부품 및 생산장비를 일본에 의존하면서 양적성장에만 치중해온 결과다.
IIT2009 리포트에 따르면 음극재 국산화율은 2.7%로서 삼성SDI, LG화학 등 국내 전지생산업체는 음극재 시장 점유율 1, 2위를 차지하고 있는 일본 히타치화성, 일본카본 등에서 주로 음극재를 공급받고 있다. 이들 기업들은 특화된 표면처리기술로 인조흑연을 주로 생산하고 있다.
음극재 시장규모는 전기차 상용화 바람을 타고 올해 약 5,300억원을 기록하고 향후 해마다 8.9%씩 성장할 것으로 전망되고 있다. 또한 삼성, LG, SK 등와 같은 확실한 LIB수요기업이 성장을 거듭함에 따라 국내기업들의 국산화 ‘러시’도 본격화되고 있다.
포스코의 케미칼 부문 전문 계열사인 포스코켐텍이 연산 2,400톤급 음극재 공장을 건설 중이며 GS칼텍스도 일본 JX Nippon Oil & Energy와 50대50으로 합작투자해 설립한 파워카본 테크놀러지(PCT:Power Carbon Technology)를 통해 ‘소프트카본계’ 음극재 2,000톤 생산공장을 최근 준공했다. 또한 SK이노베이션, 한화케미칼, 삼성정밀화학, 애경유화 등도 시장진입을 준비하고 있어 음극재 국산화율도 크게 오를 것으로 기대되고 있다.
韓, 음극재 국산화 바람…非 흑연계 대비해야
중대형 이차전지 특성맞춤 소재선점 요구
■후성·OCI머티리얼즈, LiPF6 ‘도전장’
전해액은 염(Salt)을 함유한 유기액체로 LIB 내부의 양극과 음극 극판사이에서 리튬 이온이 이동하도록 하는 매개체 역할을 한다.
염을 용해시키기 위한 용매(Solvents), 리튬 이온의 액상에서의 이동통로 역할을 하는 리튬염(Lithium Salt), 특정목적을 위해 소량 첨가되는 첨가제(Additives)로 구성돼있다.
전해액은 유기용매 외의 그 안에 녹이는 리튬염의 종류와 농도에 의해 성능이 결정되는데 현재 가장 우수한 전도도 특성을 나타내는 LiPF6(육불화인산리튬)가 가장 많이 사용된다.
에너지시장 분석 조사기관 솔라앤에너지에 따르면 전해액 세계 시장은 연평균 17.2% 성장률을 기록해 2015년 5,000억원을 기록할 것으로 기대되고 있다.
이는 리튬이온 이차전지 시장이 소형전지에서 중대형전지로 수요가 확대됨에 따른 것이다. 중대형 이차전지에는 전해액 주입량이 IT용에 비해 단위셀 기준으로 200~4,000배 늘어난다.
리튬이온 이차전지 전해액시장의 점유율 현황을 보면 지난해 기준으로 일본의 미쓰비시 케미칼(Mitsubishi chemical)이 24.1%로 1위를 달리고 있고 그 뒤를 파낙스이텍(16.5%), 솔브레인(11.7%) 등이 잇고 있다.
이중 국내에서 생산하는 전해액의 규모는 전세계 시장의 약 40%에 달하고 있는데 국내 전해액 소재 생산 기업은 파낙스이텍, 솔브레인, 후성, 리켐 등이 있다.
이들 기업들은 전해액 수요확대에 발맞춰 증설을 추진 중이다.
특히 국내에서 유일하게 LiPF6를 생산하고 있는 후성은 원료인 무수불산(AHF)을 다뤄온 경험을 바탕으로 현재 연산 2,000톤 생산시설을 확보하고 있으며 솔브레인, 파낙스이텍에 공급하고 있다. 특히 최근 글로벌 화학사인 바스프(BASF)에 LiPF6를 10년간 독점공급한다고 밝혔으며 이를 기반으로 오는 2015년까지 국내 생산캐파를 5,000톤규모로 확장할 것으로 전망되고 있다.
세계 특수가스 선도업체인 OCI머티리얼즈도 LiPF6 시장에 도전장을 던졌다. 국내 최초로 NF3(삼불화질소) 국산화에 성공한 회사는 그 원료인 무수불산의 정제기술을 보유하고 있다. 이에 지난해 11월에 290억원을 투자해 연산 300톤 규모의 생산공장을 갖춘다고 발표했으며 중국 최대의 불산생산업체인 잉펑케미컬과 합작으로 중국 요령성에 연산 2만톤 규모의 무수불산 공장 건설을 추진한다는 계획이다. 현재는 시황 변화로 국내 생산공장 착공이 연기되고 있는 것으로 알려져 있다.
■건식분리막, 중대형용 적용
분리막은 이차전지의 안전과 직결되는 소재부품이다. LIB 분리막 세계 시장은 올해 1조2,000억원대로 전년 대비 13% 늘어날 것으로 전망되고 있으며 이차전지 소재 중에 수익률이 괜찮고, 경쟁률도 아직 다소 낮은 편인 것으로 알려져 있다.
분리막은 습식/건식 분리막으로 크게 나눌 수 있는데 이들의 결정적인 차이는 생산 공정에서 솔벤트(유기용제)의 사용 유무다. 습식은 폴리머와 오일, 왁스 같은 걸 섞어놓은 상태에서 냉각하면서 솔벤트로 오일과 폴리머를 분리시키는 반면 건식은 이런 추출 과정이 없다. 때문에 건식이 생산원가에서 유리한 고지를 차지하고 있어 전기차용 LIB 적용에 영향을 미칠 전망이다.
또한 건식분리막은 고온 안전성이 뛰어나 대전력용 및 전기자동차용 리튬이차전지에는 건식 분리막을 기본으로 채용하려는 움직임이 있다. 국내의 경우 소형IT제품은 대부분 습식 분리막을 사용하고 있고, 일본 일부 시장 및 중국 시장에서는 건식 분리막 제품도 함께 사용하고 있다.
세계 리튬이차전지 분리막시장은 현재 5개사가 시장의 86%를 차지하고 있다. 미국의 Celgard 23.7%, Tonen 19.2%, 일본의 Asahi Kasei 20.8%를 점유하고 있으며, 뒤를 이어 한국의 SK이노베이션, 일본의 Ube가 각각 12.5%, 10.2%의 시장 점유율을 보이고 있다.
