[2차 전지 소재] 전해액 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

1. 2차 전지 전해액 개요와 시장 분석

 

2차전지 4대 핵심 소재와 전해액과 리튬이온의 이동 (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.

이 중 양극재와 음극재 및 분리막과 관련 내용은 아래 포스팅을 참고 부탁드립니다.

 

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

 

2차전지는 양극재와 음극재 간 이온화 경향차로 인해 산화,환원 반응이 발생하고, 이로 인해 리튬 이온이 이동하게되면서 전류를 생성하게 됩니다.

이 중 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동을 돕는 매개체로, 배터리 충방전의 핵심 소재입니다. 또한, 양극과 음극 표면을 안정화 시켜, 배터리의 수명과 안정성, 셀 특성을 향상시키는 역할도 담당하고 있습니다.

 

2차전지 전해액의 구성요소와 사용 소재

 

전해액은 전해질(리튬염), 유기용매, 첨가제로 구성되며, 최근 출력 및 안정성 향상을 위해 전해질 및 첨가제의 역할이 중요해지고 있습니다.

전해질은 전해액의 약 45%를 차지하며, 리튬이온의 이동 매개체로 직접 작용하고, 높은 이온전도도와 전기화학적 안정성이 필요합니다.

유기용매는 전해액의 약 25%를 차지하며, 전해질을 용해시키는 역할을 하고, 전해질을 잘 녹이기 위해 높은 유전율을 갖고, 빠른 이동을 위해 낮은 점도 특성을 가져야 합니다.

첨가제는 전해액의 약 30%를 차지하며, 전지의 수명, 안정성, 에너지 출력 밀도 향상 등을 위해 소량 첨가되는 물질이고, 양극 첨가제와 음극 첨가제로 나뉩니다.
양극 첨가제의 경우 표면 보호, 열화 및 발열 억제, 과충전 방지 등의 역할을 하고, 음극 첨가제는 용매의 분해 방지, 열화 및 발열 억제, 용량 유지 등의 역할을 합니다.

 

전해액 구성 재료의 원가 구조(좌) 및 전기차용 배터리의 재료비 원가 비중(우) (출처 : IBK투자증권, 삼성증권)

 

전해액은 전기차용 배터리에 사용되는 재료비 원가의 약 8%, 셀 전체 원가의 약 5%를 차지합니다.

 

글로벌 전해액 수요,공급 전망 및 전해질, 첨가재 수요 전망 (출처 : SNE Research, 교보증권 리서치센터)

 

글로벌 전해액 시장 규모는 21년 29억 달러에서 25년 71억 달러, 30년 120억 달러로 약 4배 가량 성장할 것으로 전망되고 있습니다. 연평균 성장률은 21년 32%, 25년 20%의 고성장을 나타낼 것으로 보이며, 이후 10% 가량의 안정적인 성장률을 유지할 것으로 예상하고 있습니다.
전해액 시장은 2024년부터 수요가 공급을 초과하는 쇼티지 현상이 발생할 것으로 보고 있습니다.

 

글로벌 전해액 시장의 기업별, 국가별 시장 점유율 (출처 : IBK투자증권)

 

현재 글로벌 전해액 시장의 74%를 중국이 점유하고 있으나, 기술 난이도가 낮고 투자비용이 적은 소형전지용 제품을 주로 공급하고 있어 압도적인 물량 공세로 인한 점유율로 나타납니다.
반면 중대형전지의 경우 개발 승인이 오래걸리고, 기술 진입 장벽이 매우 높아 신규 진입이 제한적입니다.

 

전해액의 개발 승인 단계별 일정 (출처 : 동화기업, 한국투자증권)

 

글로벌 전해액 시장은 소형이 90%, 중대형이 10% 정도이나, 전기차 시장의 폭발적인 성장으로 인해 고성능의 중대형전지용 전해액 시장 비중이 더욱 확대될 것으로 보이며, 기술 요구 수준 또한 더욱 높아질 것으로 예상됩니다.

 

전해액 산업의 진입 장벽과 필요 경쟁력 (출처 : 교보증권 리서치센터)

 

중대형 전지용 전해액의 핵심 경쟁력은 첨가제 및 배합 조성 기술, 품질 리스크 최소화를 위한 셀 메이커와의 생산인프라 인접성 등이 있습니다.
이에 미쯔비시 등 품질을 앞세운 일본 기업들이 중대형용 전해액 시장을 주도하고 있으며, 국내에서는 엔켐이 대표적이며, 솔브레인, 동화기업, 후성, 천보, 켐트로스 등이 있습니다.

 

주요 전해액 제조 기업이 납품하는 배터리 셀 메이커 현황 (출처 : 교보증권 리서치센터)

 

전해액 구성 요소별 국내외 생산 업체 (출처 : IBK투자증권)

 

주요 전해액 관련 업체들의 유럽 공장 증설 현황 및 예상 CAPA 규모 (출처 : 하이투자증권)

 

국내 셀 메이커 3社의 공격적인 미국 현지 CAPA 증설은 국내 전해액 관련 기업들의 수혜로 이어질 것으로 기대하고 있으며, 국내의 천보 및 동화기업 등은 이에 맞춰 생산 CAPA를 크게 늘리고 있습니다.

특히 천보는 전기차용 중대형전지의 핵심 전해질 3종을 상용화 하였으며, 전해액 첨가제 세계 최다 품목을 보유하고 있는 등 눈여겨봐야할 국내 기업 중 하나입니다.

 

 

최근에는 액체 전해질 자체가 불안정하다는 단점을 해결하기 위해 안정성이 높은 고체 전해질을 사용한 전고체 전지 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
차세대 전지인 전고체 전지가 상업화가 되면 전해질의 중요성은 더욱 커질 것이기 때문에 관련 기업들을 지속해서 눈여겨 봐야 합니다.

고체 전해질 시장은 현재 일본 도요타-파나소닉 연합과 한국 삼성그룹의 양강구도를 보이고 있습니다.

 

전고체 전지 생산기술 개발 현황 (출처 : 교보증권 리서치센터)

 

전고체전지 개발 및 협업 기업 (출처 : Roland Zenn, 한국투자증권)

 

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2. 전해액 종류와 발전 전망

전해액은 리튬이온을 운반하는 전해질(리튬염), 전해질을 용해하는 유기용매, SEI층(리튬이온은 통과하고, 전자는 막는 역할) 형성을 돕거나 과충전 등을 막아 안정성을 높이거나 출력을 개선시키는 첨가제로 이루어져 있습니다.

전해액 기업들은 각 요소들을 셀 메이커사의 스펙에 맞춰 신소재 개발과 최적 조합을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

 

전해액의 주요 필요 특성 (출처 : 동화기업, 한국투자증권)

 

- 전해질

전해질의 경우 높은 이온전도도와 전기화학적 안정성이 중요합니다.
주로 LiPF6가 범용 전해질로 많이 사용되고 있으며, 주로 소형전지에 사용됩니다.
LiPF6는 열적으로 불안정하고, 수분과 반응하면 불화수소산(HF)가 생성되어 배터리의 성능을 저하시킨다는 단점이 있습니다.
전기차용 중대형 전지에는 LiFSI (F전해질), LiPO2F2 (P전해질), LiDFOP (D전해질), LiBOB (B전해질) 등을 사용하고 있습니다.
다만, 값이 비싸 기존 LiPF6 전해질에 1~5% 가량 섞어서 사용되고 있습니다.

 

2차전지 전해질 소재의 종류 및 특징 (출처 : 천보 , NICE평가정보 , IBK투자증권 )

 

LiFSI (F전해질)의 경우 이온전도도가 높고 우수한 SEI층 형성과 저항값이 낮아 성능이 좋지만, 불소화합물이기 떄문에 환경문제 등이 발생하여 생산 물량을 늘리기 어려워지고 있다고 합니다.

 

LiFSI의 FSI 음이온이 리튬이온과 반응하여 LiF-rich SEI를 형성하며, Dendrite 발생 확률을 극적으로 완화 (출처 : Chem 논문, 하이투자증권)

 

LiPO2F2 (P전해질)의 경우 1~2% 정도의 소량 사용 시에도 성능이 극대화 되는데, 전해질의 점도를 낮춰 이온 전도도를 높이고, 높은 전압에서의 배터리 수명을 개선시키며, 전해질의 분해속도를 늦춘다는 장점들이 있습니다. 또한 음극의 산화 방지 효과도 있어 점차 많은 전해액 기업이 채용하는 추세입니다.
최근 국내 기업인 천보가 대규모 증설을 공시하였습니다.

LiDFOP (D전해질)의 경우 약 5% 정도 첨가하여 사용하며, 전극 표면에 우수한 SEI층 형성을 하며 고전압 특성을 위해 첨가되고 있는 전해질 입니다. 배터리 수명 향상, 출력 개선, 충전시간 단축, 고온 안정성 개선 등의 장점이 있습니다.
일본의 Central Glass가 특허를 내서 납품 중에 있으며, 국내의 천보가 상호 기술 제휴를 통해 전용 공장을 건설하여 현재 생산 중에 있습니다.

 

SEI층 구조 (출처 : American Chemical Society, 한국투자증권)

 

LiBOB (B전해질)의 경우 특히 상온보다 낮은 저온에서 전지의 출력 증대 효과가 있어 겨울철 배터리 성능 저하 문제를 개선할 수 있습니다.
LiBOB를 추가하면 SEI층 형성을 통해 전해질 분해가 억제되고, 활성산소에 의한 용매 분해가 억제되며, 충전 시 산화리튬 형성을 방지하고, 양극재 (망간, 니켈, 코발트)의 용해가 억제 되어 LiFSI 혼용 대비 배터리 수명 개선에 더 좋다고 합니다.

 

LiBOB 추가에 따른 SEI층 형성 (출처 : Journal of The Electrochemical Society 논문, 하이투자증권, 한국투자증권)

 

주요 전해질 소재별 화학적 성질 비교 (출처 : Nippon Shokubai, 하이투자증권)

 

- 유기용매

유기용매는 전해질을 쉽게 용해시키기 위해 유전율 상수 20 이상인 고유전율을 가져야 하며, 점도 1cP 이하, 낮은 융점 등의 특성이 필요합니다.
일반적으로 유전율이 높아지면 극성이 높아져 점도 증가로 이어지고, 이는 리튬이온의 빠른 이동을 방해합니다.
따라서 고유전율을 가지는 고리형 카보네이트 (EC, PC)를 기본용매로 사용하고, 점도를 낮추는 사슬형 카보네이트 (DMC, EMC, DEC 등)을 혼합해서 사용합니다.

 

주요 유기 용매의 분자 구조 및 특성 (출처 : 동화기업, CHERIC)

 

- 첨가제

최근 배터리 화재 이슈가 많아지면서 배터리의 안정성과 안전성 향상에 첨가제의 비중이 커지고 있습니다.
첨가제는 배터리의 과충전을 방지하고, 전기분해 지연, 난연성 부여 등의 역할을 합니다.

 

주요 첨가제의 분자구조 (출처 : RCS Adv, CHERIC)

 

첨가제는 양극 보호용 첨가제와 음극 보호용 첨가제로 나뉘며, 양극과 음극 표면에서 화학적 반응, 흡착 과정 등을 통해 보호막을 형성해 안전성을 향상시킵니다.
또한 전해질과 유기용매에 직접 작용해 안정성과 이온전도도를 높이고, 불순물 제거 역할을 하기도 합니다.

양극 보호용 첨가제의 경우 표면 보호, 열화 및 발열 억제, 과충전 방지의 효과가 있으며, 음극용 첨가제는 용매의 분해 방지, 열화 및 발열억제, 용량 유지의 효과가 있습니다.

 

2차전지 전해액 첨가재 소재의 종류 및 특징 (출처 : 천보, NICE평가정보, IBK투자증권) 

 

Sn (석시노나이트릴)은 구리(양극판)의 용출을 방지하고, 저휘발성, 리튬염과의 공융 혼합이 우수합니다.
An (아디포나이트릴)은 고에너지밀도를 가지며, 낮은 가연성과 인화성, 리튬염과의 공융 혼합이 우수합니다.
VC (바이닐렌 카보네이트)는 음극표면에 SEI층 형성에 중요한 역할을 합니다. 
포스파젠 화합물(히시콜린 난연제 등)은 전지 특성을 손상시키지 않고, 난연 및 불연 효과를 갖고 있습니다.

 

VC 첨가제와 An 첨가제의 특성 (출처 : 한국투자증권)

 

Sn, An이 대표적으로 사용되며, VC 등에 비해 에너지밀도가 높고, 수명이 길며, 저휘발성, 높은 안전성, 용량 증대 등이 더 용이 합니다.

 

전해액 제조 공정 (출처 : 이베스트투자증권 리서치센터)

 

전해액은 이처럼 전해질, 유기용매, 첨가제의 다양한 소재 개발과 노하우 기반의 고객 맞춤형 최적 조합 역량이 중요합니다.
지속해서 다양한 리튬염과 첨가제가 개발되고 추가되고 있으며, 배터리 수명, 충방전 효율, 과충전 방지, 저온 방전 억제 등 다양한 측면에서 성능 개선에 필수적인 역할을 하고 있습니다.

또한 전해질은 차세대 전지인 반고체전지 및 전고체전지의 가장 핵심이 되는 소재이기 때문에 더욱 더 중요하게 봐야하는 핵심 소재입니다.

 

 

 

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