[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

1. 2차전지 양극재 개요와 시장 분석

 

2차전지 4대 핵심 소재와 양극의 구조 (출처 : 삼성SDI)

 

2차전지에 들어가는 소재는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해액로 구성되며 이를 4대 핵심소재라고 합니다. 이 4대 소재는 2차전지의 에너지용량, 출력, 안정성 등 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미치는 요소입니다.

음극재, 전해액, 분리막과 관련 내용은 아래 포스팅 참고 부탁드립니다.

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2차전지는 양극재와 음극재간의 이온화 경향에 따른 산화-환원 반응을 통해 전류를 생성하며, 양극재로 리튬산화물이 사용되기 때문에 2차전지를 리튬이온전지라고 합니다.

양극의 형태는 위 그림과 같이 양극의 틀을 잡아주고 전자를 집전해주는 알루미늄박에 양극재(양극활물질), 도전재, 바인더가 섞인 슬러리를 코팅한 형태로 되어있습니다.
여기서 도전재는 양극활물질의 이온전도성을 높이기 위한 역할을 하며, 바인더는 활물질과 도전재가 잘 접착될 수 있도록 합니다.

도전재와 바인더 관련 내용은 아래 포스팅 참고 바랍니다.

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양극재는 양극활물질의 종류에 따라 단위 부피 당 저장되는 전자 수(에너지밀도)가 달라지기 때문에 배터리의 핵심 성능인 용량과 전압을 결정 짓는 재료이며, 전극 반응에 직접적으로 관여하는 가장 중요한 소재로, 재료비 원가 중 가장 큰 비중(52%)을 차지하고 있습니다.

배터리의 에너지밀도를 높일수록 더 저렴한 비용과 더 적은 무게, 더 작은 크기로 배터리를 만들 수 있고, 전기차의 주행거리를 높일 수 있기 때문에 여러 기업들이 양극재 성능 개발에 많은 투자를 하고 있습니다.

 

전기자동차 용 2차전지 배터리 원가 구조 (출처 : 삼성증권)

 

양극재는 국내에서 생산하는 4대 소재 중 가장 높은 점유율을 차지하며, 우리나라의 글로벌 양극재 시장 점유율은 26%를 차지하고 있습니다.
국가별로는 중국이 가격경쟁력과 대규모 물량 공세를 통해 가장 큰 시장점유율을 차지하고 있으나, 기업별 점유율 비중으로 보면 상위권을 차지하는 중국기업은 거의 없습니다.
양극재는 소재의 품질과 기술경쟁력을 갖춘 벨기에, 일본, 한국 기업들이 상위권을 차지하고 있어, 고품질/고성능 양극재 시장과 보급형 양극재 시장 간 기술 장벽이 큰 것으로 보입니다.

 

2차전지 4대 소재 국가별 점유율 및 양극재의 국가별 시장 점유율 (출처 : 삼성증권)

 

특히 한국의 양극재 시장점유율은 세계 2위이며, 대부분 고성능/고품질 양극재를 제조하기 때문에 향후 고성능 전기차의 수요와 비중이 커짐에 따라 국내 기업들이 시장을 주도할 것으로 전망하고 있습니다.
국내 주요 양극재 제조 기업으로는 에코프로비엠, 엘앤에프, LG화학, 포스코케미칼, 삼성SDI, 코스모신소재 등이 있습니다.

 

기업별 양극재 시장점유율, 2020년 (출처 : IBK투자증권)

 

국내 양극재 제조 기업의 사업 현황 (출처 : IBK투자증권)

 

양극재는 2차전지 소재 중 가장 중요한 소재인 만큼 2030년까지 글로벌 시장에서 800억달러 규모, 연평균 20% 이상의 고성장을 나타낼 것으로 전망하고 있습니다.

 

글로벌 양극재 시장 전망 및 소재 내 비중 전망 (출처 : IBK투자증권)

 

 

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2. 양극재 종류

양극재는 리튬산화물의 금속염 성분에 따라 LFP(리튬,철,인), NCM(니켈,코발트,망간), NCA(니켈,코발트,알루미늄) 등으로 구분되며, 각 재료의 비중과 구조 배치에 따라 그 성능이 결정됩니다.

우리나라 기업은 에너지밀도가 높은 NCM/NCA 삼원계 양극재를 주로 생산하고 있으며, 중국 기업은 가격이 저렴하고 수명이 길며, 안정성이 높은 LFP계 양극재를 주로 생산하고 있습니다.

 

2차전지 양극재의 종류별 구조 및 특성 (출처 : 하이투자증권)

 

우선 구조적인 특징으로 분류해보면, 격자 구조에 따라 층상구조, 스피넬구조, 올리빈 구조로 나뉩니다.
층상구조에는 LCO(리튬,코발트,산소), NCM, NCA 등이 있는데, 배터리 충,방전 시 층상 구조 사이에 리튬 이온이 저장 및 방출 됩니다.
층상 구조는 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있어 에너지 용량이 높다는 장점이 있으나, 구조적으로 안정성이 떨어진다는 단점이 있습니다.

스피넬구조는 격자 구조가 2D 형태로 층상구조 보다 안정성이 높으나 에너지 용량이 작습니다.
대표적으로 LMO(리튬,망간,산소)가 있는데, LMO는 고온에서 망간 이온의 용출로 인해 수명이 저하된다는 단점이 있습니다.

올리빈구조는 격자 구조가 3D 형태인 육면체로, 안정성이 매우 높습니다. 하지만 구조 상 전자의 이동과 리튬이온 확산 속도가 느리고 에너지밀도가 낮다는 단점이 있습니다.
대표적으로 LFP가 있으며, 비싼 코발트나 망간 대신 철을 재료로 사용하기 때문에 다른 재료 대비 저렴하다는 장점이 있습니다.
최근에는 LFP에 망간을 결합한 LFMP나 LFP 이자 표면을 탄소층으로 코팅해 전자이동도를 높이는 등 낮은 에너지밀도를 개선하려는 연구들이 진행되고 있습니다.

 

2차전지 양극재 소재별 장단점 비교 (출처 : 하이투자증권)

 

하이니켈 양극재의 첨가물에 따른 특성 비교

 

현재 전기차에 주로 사용되는 2차전지 양극재는 니켈이 기반이 되는 삼원계 양극재, NCM(니켈, 코발트, 망간)과 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄) 입니다. 니켈의 비중에 따라 NCM9, NCM811 등 숫자를 붙여 분류합니다.
니켈의 비중을 높인 NCM과 NCA는 차세대 양극재 혹은 하이니켈 양극재라고도 하며, 니켈의 높은 에너지밀도 특성과 다른 금속 대비 저렴하다는 장점이 있어 활발하게 연구되고 있고, 사용 비중 또한 점차 증가하고 있습니다.

다만 최근 테슬라가 ESS 및 보급형 테슬라 차량에 LFP계 양극재 비중을 확대한다고 발표하면서 LFP의 시장 비중도 지속적으로 확인이 필요할 것 같습니다.

전기차배터리향 글로벌 원자재 시장 규모 및 비중 전망 (출처 : IBK투자증권)

 

2차전지 양극재 종류별 시장 점유율 전망 (출처 : 삼성증권, BNEF)

 

하이니켈의 단점은 니켈 비중이 높을수록 안정성이 떨어지고 수명이 줄어든다는 것 입니다.
니켈은 반응성이 높아 전해액과 분해반응을 유도해 배터리의 용량 손실을 일으킬 수 있고, 양극 표면에 불순물을 생성하거나 양극재의 구조를 변형시켜 전지의 수명을 감소시키고, 폭발 등의 원인이 될 수 있습니다.
또한 코발트의 비중을 낮추는 것이 중요한데, 코발트의 가격은 니켈의 2배 이상으로 매우 비싼 희귀 금속이며, 매장량 대부분이 콩고민주공화국에 있어 노동 착취 등의 문제가 있는 분쟁 광물이기 때문입니다.

따라서 이러한 문제점을 보완하기 위한 기술들이 지속 개발되고 있습니다. 최근에는 여러 첨가물을 넣거나  각 소재의 비중과 구조를 변경하는 방법 등이 연구되고 있습니다.

구조 변경 방법의 경우 현재의 다결정 형태를 단결정으로 변경하여 양극재가 부숴지거나 불순물이 생기는 것을 방지하는 방법이 있습니다. 기존 양극재 제조 기업과 테슬라 등이 단결정 양극재 양산 기술 개발 및 적용을 준비하고 있습니다.

단결정 양극재와 다결정 양극재 비교 (출처 : IBK투자증권, 하이투자증권)

 

첨가물을 넣는 방법은 기존 NCM에 알루미늄을 추가해 안정성을 높인 NCMA가 대표적입니다. NCM에 소량의 알루미늄을 추가해 입자의 균열을 막는 방법이며, 포스코케미칼과 앨앤에프가 개발 및 제조 하고 있고, LG에너지솔루션이 도입을 추진하고 있습니다.

CSG(Core-Shell Gradient), FCG(Full Concentration Gradient)와 같이 코팅 및 열처리를 통해 입자 표면을 보호하는 입자제어 기술 등도 연구되고 있습니다.
이중 CSG 기술은 에코프로비엠이 양산에 적용하고 있으며, FCG의 경우 국내에서 상용화를 진행하고 있습니다.

이밖에 양극재 구성요소인 도전재나 바인더에 사용되는 재료를 변경하거나 개선해 양극재 성능을 높이는 방법도 활발히 연구되고 있습니다.

하이니켈 양극재의 보완 및 개선 기술 현황 및 관련 업체 (출처 : 한국투자증권)

 

 

양극 및 음극활물질 종류에 따른 전위와 용량 관계 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

 

3. 양극재 제조 방법

- 삼원계 양극활물질

1. 금속산화물인 전구체 제조
2. 고온 반응을 통한 복합금속산화물 제조
3. 복합금속산화물+리튬계물질 고온산화분위기 소성

 

- NCM 양극활물질 (공침법)

1. Ni, Co, Mn을 황산 등의 강산 용액에 용해시켜 금속 용액 제조
2. 금속 용액을 혼합하여 혼합 금속 용액 제조
3. 혼합 금속 용액에 착화제를 첨가 : 물분자 전자와의 결합력을 높여 침전 용이, 주로 암모니아 착화제를 사용
4. NaOH 등의 pH 조절제 첨가해 수산화물 형성시켜 침전
5. 침전된 복합수산화물(NiCoMn)을 세척, 건조하여 전구체 제조
6. 전구체를 고온 반응을 통해 금속산화물로 제조
7. LiOH 등과 같은 리튬계 물질과 혼합해 산화분위기 하에 소성하여 양극활물질 분말 생산

 

양극활물질 제조 방법 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

 

 

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