양극재, 3원계가 주류로 “부상”
LiB(Lithium-ion Battery) 양극재는 Ni, Mn, Co 등 3종 혹은 2종 복합산화물 리튬염 2·3원계, LCO(LiCoO2) 및 LMO(LiMnO2), LNO(Lithium Nickel Oxide), LFP (LiFePO4)로 구분된다.
휴대폰 등 민생용은 높은 에너지 밀도 및 충·방전 효율 등에 따라 LCO가 주류를 이루고 있으나 자동차용은 코발트 자원이 부족하고 용량 및 코스트, 안전성 등이 요구되기 때문에 다른 경쟁소재의 채용이 이루어지고 있다.
현재 유럽·미국·일본의 EV(전기자동차)용 고용량 타입 LiB는 주로 3원계 양극재를 채용하고 있다.
특히, 높은 에너지 밀도가 요구되는 PHV(플러그인하이브리드 자동차)는 방전용량이 매우 커 3원계가 적합한 것으로 평가되고 있다.
테슬라(Tesla)는 차세대 모델에 탑재하는 LiB를 소형화할 예정이나 기존제품에 비해 높은 에너지 밀도가 요구됨에 따라 니켈 함유율을 높인 3원계 개발을 추진하고 있다.
LMO는 3원계에 비해 방전용량이 낮아 일반적으로 항속거리가 짧은 EV 및 저속 EV 등에 채용되고 있으나 고급 그레이드는 정비가 필요 없고 안전성이 뛰어나 고출력, 안전성, 코스트가 중시되는 HV(하이브리드자동차)용 LiB 투입이 기대되고 있다.
LFP는 중국이 EV에 주로 투입하고 있으며, 특히 전기자동차 시장의 약 40%를 차지하는 전기버스의 LiB 양극재에 반드시 탑재하도록 지정하고 있다.
LFP는 3원계 등이 사용하는 희귀금속을 포함하지 않아 저가이며 용량은 적으나 방전용량이 높아 충·방전이 빈번한 정기운행 EV의 LiB에 적합한 것으로 파악되고 있다.
양극재 시장은 일본, 한국, 유럽, 미국, 중국기업이 진출해 있으며 민생용은 원료 산지를 보유해 코스트 경쟁력이 높은 중국산이 점유율을 확대하고 있으나 자동차용은 품질 및 양산화 면에서 일본 및 유럽·미국기업이 앞서 나가고 있다.
한국·중국산 3원계는 일본산과의 성능 차이가 크나 몇년 안에 품질을 향상시킬 것으로 예상되고 있다.
다만, 아시아 최대 니켈 광석 공급국인 인도네시아의 광석 수출 금지, 수요의 절반을 LiB용이 차지하는 코발트의 조달 경쟁 격화 등으로 원료 조달난이 우려되고 있다.
이에 따라 선행기업들은 차세대 EV 등에 대한 표준화를 목표로 사업 확대를 적극화하고 있다.
Toda Kogyo와 BASF는 일본에서 제휴하고 있는 3원계 양극재 사업을 북미로 확대하는 방안을 검토하고 있다.
Sumitomo Metal Mining은 2018년까지 LNO 생산능력을 2배로 확대하고, Sumitomo Chemical(SCC)은 양극재를 제조·판매하는 Tanaka Chemical을 자회사로 편입시켜 시장에 본격 진출할 계획이다.
Nippon Denko는 LMO 신제품 투입과 3원계 양극재 시장 진출을 통해 신규 수요를 확보할 방침이다.
LMO는 자동차용 세계 시장점유율 1위이나 차세대 EV용 공급을 위해 2016년 9월부터 신규 그레이드인 5세대의 판매를 시작했다.
기존제품에 비해 수명을 30%, 충진 성능을 20% 향상시킨 것이 특징이며 충진 성능을 향상시킴으로써 에너지 밀도도 20% 향상된 것으로 파악된다.
EV용 LiB는 설치장소가 한정적이어서 저장할 수 있는 에너지가 많을수록 좋기 때문에 체적당 에너지 밀도가 중요시되고 있다.
또 고용량과 고출력 2가지 타입을 개발해 LiB의 다양한 니즈에 대응할 수 있도록 조치했으며 앞으로 성능 향상을 통해 항속거리를 확대해 EV 및 PHV 등 친환경 자동차 뿐만 아니라 공장 등에서 사용하는 무인운송차, 저속 자동차, 골프카트용에도 채용될 것으로 기대하고 있다.
이밖에 ISS(Idling Stop System)용 전원, 휴대폰 기지국용 거치형 전원 등 신규 용도도 개척할 예정이다.
EV 보급을 타고 LiB 수요가 신장하고 있는 중국에서도 사업을 적극 확대할 방침이다.
이미 전기버스용 LiB에 일부 공급하고 있으며 5세대 판매도 확대할 계획이다.
현재 Hokuriku에서 7000톤 설비를 가동하고 있으나 중국 수요 증가에 대응하기 위해 현지생산 방안도 검토하고 있다.
LMO는 항속거리 300km 이하인 EV용 LiB에 투입하고 있으며 300km 이상의 차세대 EV용에는 니켈 함유률이 높은 타입의 3원계를 공급하기 위해 개발을 적극화하고 있다.
아울러 LiB 생산기업의 성능 업그레이드 및 코스트 절감 등을 위해 LMO 및 3원계 양극재 공급 뿐만 아니라 수요처의 니즈에 맞추어 바인더 등과 조합하는 가공 노하우를 제공하는 서비스도 본격화할 계획이다.
음극재, 천연흑연 경쟁력 떨어져…
음극재는 주로 카본계인 천연흑연, 인조흑연, 하드카본, 메소카본 마이크로 비즈 등으로 구분되며 고용량화가 기대되는 LTO(Lithium Titanate) 등 금속계, 실리콘(Silicone) 및 주석과 카본계의 복합소재도 주목되고 있다.
천연·인조흑연은 세계시장의 90%를 차지하며 각각 절반 가량 양분하고 있다.
천연흑연은 저그레이드 LiB에서 강세를 나타내고 있으나 최근 LiB 생산기업의 니즈가 세분화되고 있어 경쟁력이 떨어지는 것으로 파악된다.
특히, 자동차용은 높은 에너지 밀도에 대한 니즈가 높아지고 있어 고결정으로 리튬이온을 유지하기 쉬운 인조흑연의 채용이 증가하고 있다.
또 고용량화를 위해 이론용량이 카본계의 10배 이상에 달하는 실리콘과 카본계의 복합소재가 개발되고 있으며 충전 시 팽창과 수축에 따른 열화 문제를 해결하기 위한 연구개발이 이루어지고 있는 것으로 알려졌다.
다만, 자동차용은 민생용에 비해 고기능 소재를 사용하고 있으나 중국기업 일부는 국책 등에 따라 코스트 절감을 위해 중국산을 채용하고 있는 것으로 알려졌다.
중국 음극재 생산기업은 풍부한 흑연 원산지를 보유하고 있는 강점을 활용해 저코스트를 실현하며 시장점유율을 확대하고 있다.
몇년 전에는 히타치(Hitachi)와 중국 BTR이 시장의 60%를 장악했으나 현재는 상위 4사 가운데 중국기업이 3곳인 것으로 파악되고 있다.
히타치는 1998년 음극재 시장에 진출했으며 인조흑연계 소재를 베이스로 LiB의 고용량화에 대응한 고결정화를 달성함과 동시에 LiB의 뛰어난 충·방전 및 사이클 특성을 실현시키기 위해 입자구조를 제어하고 있다.
히타치의 인조흑연은 결정도가 높고 결정이 불규칙하게 집합해 뭉칠 수 있어 고용량일 뿐만 아니라 다양한 방향에서 원활하게 리튬이온을 충·방전할 수 있는 것이 특징이다.
또 입자 내부에 미세기공을 다수 보유하고 있어 전해액이 침투하기 쉽고 리튬이온의 이동이 원활해 충·방전 성능을 향상시킬 수 있으며 독특한 구조를 통해 뛰어난 사이클 특성을 실현할 수 있다.
일반적인 흑연이 리튬이온을 포함하면 팽창하는 것과 달리 입자 안의 미세기공을 통해 입자의 체적 팽창을 저감시켜 전극의 형상 변화를 억제함으로써 LiB의 장수명화에 기여하는 것으로 알려졌다.
히타치는 EV 및 PHV용으로 충·방전 효율이 뛰어난 고용량·밀도 타입 흑연계 음극재를, HV용으로 높은 입력 특성을 보유한 비결정질 탄소 음극재를 공급하고 있다.
닛산(Nisssan) 자동차의 EV 「Leaf」용 LiB를 비롯해 글로벌 LiB 생산기업에게 다양하게 공급하며 자동차용 LiB 음극재 세계 1위를 달리고 있다.
음극재는 일본과 중국에 생산설비를 보유하고 있으며 EV 및 PHV, HV 시장 확대에 따른 LiB 수요 증가에 대응해 Yamasaki 공장에서 증설 투자를 계속하고 있다.
앞으로 차세대 친환경 자동차용 LiB 채용을 목표로 글로벌 메이저들과의 경쟁력이 심화될 것으로 예상되는 가운데 다양화하는 음극재 니즈에 대응하기 위해 전방위적인 판매 전략을 추진함으로써 시장점유율을 유지해나갈 계획이다.
Showa Denko는 LiB용 소재로 카본계 음극재 「SCMG」, 양극·음극용 도전조제 「VGCF」, 고분자계 음극 바인더인 「Polysol」 및 Showa Denko Packaging(SPA)이 제조하는 알루미늄 라미네이트 필름 「SPALF」, 양극 집전용 카본 코팅박 「SDX」 등을 공급하고 있다.
SCMG는 인조흑연으로 천연흑연 및 기타 인조흑연에 비해 충·방전 시의 리튬이온 흐름이 빠르고 입력 저항이 낮은 것이 최대 장점이며 충·방전 시의 팽창·수축이 작아 사이클 특성이 뛰어나고 배터리의 장수명화에 기여하고 있다.
최근에는 대형 LiB용을 중시하고 있으며 일반적으로 대형용은 배터리식 전동운송기기(BEV)용 등 에너지 밀도 지향형(고용량 중시)과 ISS용 등 출력 밀도 지향형(저입출력 저항 중시)의 2가지 요구성능이 중요하나 각 소재의 특성을 활용해 출력 밀도 지향형 시장을 선도하는 것을 목표로 하고 있다.
Showa Denko는 기존 실리콘을 적용한 음극재에 비해 사이클 특성을 향상시킨 실리콘-카본 복합 음극재를 개발한 것으로 알려졌다.
인조흑연 표면에 실리콘 입자를 부착시키고 카본을 피막함으로써 그램당 900mA의 충전용량을 달성했으며 2017년 Omachi 사업장에 파일럿 설비를 설치하고 자동차용 채용을 목표로 2019년 양산화할 계획이다.
아울러 자동차용 LiB 시장 확대에 따라 수요 증가에 대응하기 위해 증설 투자도 확대하고 있다.
중국에서 SCMG 수요가 증가함에 따라 2016년 6월 현지 위탁생산을 시작했으며 2016년 말에는 일본 Omachi 공장의 생산능력을 1500톤으로 확대했다.
이밖에 VGCF와 Polysol은 분산성이 좋고 적은 첨가량으로도 뛰어난 효과를 나타내기 때문에 활물질을 많이 넣을 수 있어 LiB의 고용량화에 기여하는 것으로 평가된다.
바인더, 양극 니즈에 적극 대응
LiB의 대용량·고출력화를 위해서는 양·음극 등 주요 부재의 성능 향상 뿐만 아니라 바인더 및 도전조재 사용이 필수적으로 요구되고있다.
특히, 바인더는 성능 면에서 일본, 유럽, 미국산이 우수한 것으로 파악되고 있다.
바인더는 양·음극을 만들 때 양극재 및 음극재와 전극의 저항을 낮추는 도전조재를 고정시키거나 양극을 알루미늄박에, 음극을 동박에 도포할 때 사용하는 접착제이다.
PVDF(Polyvinylidene Fluoride)가 주류를 이루고 있으며 불소수지의 우수한 내열성, 내식성, 내후성 특성과 범용수지 수준의 성형 가공성을 겸비한 것이 특징이다.
또 활물질, 도전조재와 혼합할 때 유기용제를 사용하지 않는 수계 바인더 SBR(Styrene Butadiene Rubber)을 활용하면 환경 및 작업환경에 대한 부하를 줄일 수 있어 친환경제품으로 주목된다.
LiB용 바인더는 Kureha가 세계 시장점유율 50%를 차지하고 있으며 Showa Denko, Solvay 등 일본 및 유럽·미국기업이 선행하고 있다.
중국산은 공업용 그레이드가 대부분이며 오염문제 등으로 자동차용 등 고성능 LiB 투입이 어려운 것으로 알려졌다.
또 저급 그레이드의 활물질이라도 바인더에 따라 전극 성능이 향상되기 때문에 중국 메이저들조차 활물질은 중국산을 사용해도 바인더만은 고가의 수입제품을 채용하는 것으로 알려졌다.
Kureha는 중국시장을 중심으로 바인더 수요가 증가할 것으로 판단하고 2016년 11월 「KT 폴리머」 증설을 결정했다.
Iwaki 공장에 47억엔을 투입해 2018년 가을 완공을 목표로 생산능력을 1만1000톤으로 2000톤 증설한다.
또 고용량화 및 활물질 코스트 절감 니즈에 따라 니켈 함유율이 높은 3원계 양극재 및 중국에서 수요가 증가하는 LFP 양극재에 적합한 바인더를 개발해 다양해지는 양극 니즈에 대응함으로써 글로벌 1위의 지위를 공고히 다질 방침이다.
전해액, 중국시장 공략 위해 연계 강화
전해액은 양극·음극간 리튬이온 전자의 원활한 이동을 돕는 역할을 하고 있다.
육불화인산리튬(LiPF6)으로 대표되는 리튬염 10-20%, DMC(Dimethyl Cyclosioxane) 등의 유기용매 80-90%, 나머지 수퍼센트의 첨가제로 구성돼 있다.
현재 세계 시장규모는 700억-900억엔으로 파악되며 2020년에는 1100억-1500억엔으로 확대할 것으로 예상된다.
세계 생산능력도 현재 7만-8만톤에서 2020년에는 16만톤 정도에 달할 것으로 전망되고 있다.
Mitsubishi Chemical(MCH)과 Ube Kosan이 메이저이며 한국, 중국기업이 뒤를 쫓고 있다.
전해액은 EV에 투입되는 대형 배터리용 수요가 시장을 견인할 것으로 예상된다.
현재 공급과잉 상태이지만 자동차용 고기능 그레이드 수급이 균형을 유지하고 있어 곧 수급타이트로 전환될 것이라는 주장이 제기되고 있다.
중국은 정부의 보조금 지원 정책에 힘입어 자동차용 LiB 시장이 급격히 성장할 것으로 예상되고 있어 전해액 생산기업들이 중국에서 경쟁력을 강화하기 위한 생산능력 확대 및 사업 연계를 적극화하고 있다. <이하나 기자: lhn@chemlocus.com>
