LiB(리튬이온전지) 개발에 크게 공헌한 3명의 과학자가 2019년 노벨화학상을 수상하면서 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다.
특히, 100년만에 전환기를 맞은 자동차산업은 연결(Connectivity), 자율주행(Autonomous), 공유(Sharing), 전기구동(Electrification)을 지칭하는 CASE 트렌드가 자리 잡으면서 배터리가 필수적인 소재로 부상하고 있다.
전기자동차(EV)는 운행거리 연장을 위해 배터리의 고성능화가 요구돼 배터리 및 배터리 소재 생산기업들이 연구개발(R&D)에 박차를 가하고 있다.
배터리는 앞으로 자연재해에 따른 정전 등에 대응한 비상용 전원, 전력 수급 안정화 및 재생에너지 도입 확대를 실현하는 에너지 인프라로 활용됨으로써 지속가능한 사회 발전에 크게 기여할 것으로 예상되고 있다.
독일·일본 중심으로 EV 공급 본격화
최근에는 건전지, 납축전지, 니켈수소전지 등 다양한 배터리 가운데 LiB가 가장 각광받고 있다.
LiB는 소니(SONY)가 1991년 세계 최초로 상품화에 성공해 모바일 전자기기의 소형‧경량화에 기여했고, 최근에는 세계적으로 환경규제가 강화되고 있는 가운데 전동자동차(xEV)용 수요가 급속도로 확대되면서 자동차기업들이 LiB 탑재를 적극화하고 있다.
유럽에서는 독일 폭스바겐(Volkswagen)이 2028년 EV 차종 투입목표를 50개에서 70개로, 생산대수를 1500만대에서 2200만대로 상향 조정했다. 
전체 자동차 생산대수에서 EV가 차지하는 비율이 20%로 상승하며 2030년에는 EV 판매비중을 40%로 확대하겠다는 목표를 세우고 있다.
폭스바겐그룹은 EV 전용 플랫폼인 ID에 사용하고 있는 배터리 사이즈 및 사양이 실질적인 글로벌 표준으로 자리 잡을 것으로 기대하고 있다.
일본에서는 도요타(Toyota Motor)가 2025년까지 하이브리드자동차(HV)를 중심으로 xEV 550만대를 투입하겠다는 목표를 세우고 있다. 배터리는 파나소닉(Panasonic), 중국 CATL을 시작으로 다양한 배터리 생산기업들과 제휴해 확보할 방침이다.
2020년에는 중국에서 양산형 EV 투입을 시작해 10개 차종 이상으로 확대하고 일본에서는 초소형 EV를 공급할 계획이다.
혼다(Honda Motor)는 2030년 글로벌 판매량의 60-70%를 xEV로 전환하겠다는 목표를 세우고 있으며, 특히 EV 및 플러그인하이브리드자동차(PHV)에 주력하고 있다.
LiB, 한국·일본·중국 메이저 5사 경쟁
자동차용 배터리는 LG화학, 삼성SDI, 파나소닉, CATL, BYD 등 메이저 5사를 중심으로 투자를 확대하고 있다.
LG화학은 자동차용 배터리를 주력사업으로 육성할 방침을 세우고 중국 및 헝가리 신증설 계획을 잇따라 추진하고 있고, 삼성SDI도 중국을 중심으로 유럽 진출을 서두르고 있으며, SK이노베이션 역시 중국에 이어 유럽, 미국 투자를 본격화하고 있다.
일본 파나소닉은 미국 테슬라(Tesla Motors)에 원통형 LiB를 공급하고 있고, 각형 LiB는 도요타와 합작기업을 설립해 2020년대 EV용 생산을 시작할 계획이다.
글로벌 최대의 EV용 배터리 메이저 CATL은 BMW 등 유럽 자동차기업을 공략하기 위해 해외에서 처음으로 독일에 생산체제를 구축하기로 결정했다.
테슬라 출신자가 설립한 노스볼트(Northvolt)는 글로벌 경쟁에 나서기 위해 대규모 자금을 조달해 스웨덴에 공장을 건설하고 있다.
차세대 배터리 소재 개발 활성화
배터리 소재 개발도 가속화되고 있다.
EV 운행거리 연장에는 양극재의 고용량화가 필수적이어서 따라 니켈, 코발트, 망간 비율이 5대2대3인 NCM523이 주류를 이루고 있는 가운데 NCM811, NCA(니켈‧코발트‧알루미늄) 등 니켈 함유율을 높인 차세대제품이 잇따라 등장하고 있다.
음극재는 실리콘(Silicone)계가 주목받고 있다.
실리콘계는 이론적으로 용량이 카본의 10배에 달하나 충방전에 따른 부피 변화가 극심해 배터리 구조를 유지하지 못한 채 쉽게 열화하는 문제점이 있어 증착에 따른 박막 형성, 바인더 개량 등 다양한 대응이 이루어지고 있다.
점차 고용량화되고 있는 LiB의 안전성을 담보하는 분리막은 양극과 음극을 절연해 단락에 따른 이상발열로 LiB가 연소하거나 폭발하는 것을 방지하는 역할을 한다.
EV용 배터리에는 베이스 소재를 세라믹, 아라미드 등 고내열성 소재로 감싼 고내열성 분리막이 채용되고 있어 안전성 강화가 중요한 과제가 부상하고 있다.
포스트 LiB로 유력한 차세대 배터리 개발도 가속화되고 있다.
전고체전지는 LiB에 사용되는 액체 전해질을 고체로 전환한 것으로 실용화를 앞두고 있다.
황화물계는 성능이 뛰어나나 제조할 때 유해한 황화수소가 발생함과 동시에 매우 건조한 환경을 유지할 필요가 있으며, 산화물계는 안전성이 뛰어나나 성능이 황화물계에 비해 뒤처지는 것으로 파악되고 있다.
산화물계 전고체전지는 2020년까지 기판 탑재가 가능한 소형제품 양산을 시작하나 자동차용으로 실용화되기까지는 상당기간이 소요될 것으로 예상되고 있다.
인프라용도 대규모 수요처로 기대
자동차용을 잇는 대규모 수요처로 주목받고 있는 인프라 용도에는 LiB 외에 NAS(나트륨황전지), RFB(레독스흐름전지) 등이 사용되고 있다.
출력이 불안정한 재생에너지 도입을 확대하기 위해서는 축전지 활용이 필수적이며 전력 자유화의 영향으로 전력 도매시장에서 활용하거나 다양한 전원을 네트워크화해 마치 하나의 발전소와 같이 운영하는 가상발전소(VPP)에 적용하기 위한 실증시험이 진행되고 있다.
배터리는 사회 및 사람의 생활을 뒷받침하는 기기로 용도에 따라 다양한 개발이 이루어지고 있으며 R&D를 통해 고성능화가 계속되고 있다.
앞으로는 자동차 전동화 및 자율주행 보급의 영향으로 분산형 에너지 사용이 확대됨에 따라 배터리에 대한 요구 성능이 점차 높아질 것이 확실시되고 있다.
이에 따라 성능 및 안전성이 뛰어난 배터리를 실현하기 위해서는 배터리 생산기업 뿐만 아니라 화학을 비롯한 소재 생산기업의 대응이 중요해지고 있다.
아사히카세이, 차별화 소재 개발의 선두주자
아사히카세이(Asahi Kasei)는 차세대 배터리 소재 개발을 가속화하고 있다.
아사히카세이는 노벨화학상을 수상한 요시노 아키라 명예 펠로우가 LiB 기술을 확립한 이후 LiB, 납축전지용 분리막으로 글로벌 시장을 주도하고 있으며 성장 분야인 자동차용 축전지의 차세대 소재 분야에서도 영향력을 확대하고 있다.
최근에는 ISG(Idle Stop & Go) 자동차용 납축전지의 급속 충·방전 성능 및 내구성을 향상시키기 위해 탄소소재를 도포한 Carbon Coat Separator를 개발했다. 충전성능은 2배, 충방전 사이클 수명은 30% 향상된 것으로 알려졌다.
자동차에 탑재하는 LiB용으로는 건식 분리막의 과제인 강도를 향상시킨 신제품 개발에 성공했다.
전해액은 세계적 권위를 지닌 독일 뮌스터(Munster)대학교의 마틴 윈터 교수와 공동으로 저온동작성을 향상시킨 혁신제품을 개발했다.
아세토니트릴(Acetonitrile)을 용제로 사용해 전해액 분해를 억제하고 안정성을 높이는 여러 첨가제를 배합함으로써 이온전도성이 실온에서 현행 상용제품의 3배에 달하며 섭씨 영하 30도에서도 실온과 같은 수준을 유지하는 것으로 파악되고 있다.
단 6분만에 급속으로 충전되는 LiB 설계, 엔진 시동용 납축전지의 LiB 전환을 기대하고 있다.
아울러 새로운 축전지로 혁신 LiC(Lithium-ion Capacitor)를 개발하고 있다. LiC는 LiB에 비해 급속 충·방전성, 충·방전 사이클 수명이 뛰어난 것이 특징이다.
아사히카세이는 저렴한 탄산리튬을 이용한 음극소재에 적용하는 도핑(Dopping) 기술을 자체 개발함으로써 현행 LiC에 비해 에너지밀도를 높이고 코스트 대폭 절감에 성공했으며 HV, PHV, 건설‧산업기기 등에 채용될 것으로 예상하고 있다.
차세대 자동차로 가장 유력한 전고체전지 분야에서는 요시노 아키라 명예 펠로우가 이사장을 맡고 있는 기술연구조합 LiB 소재 평가연구센터(LiBTEC)와 제휴하고 있다.
아사히카세이는 전고체전지를 구성하는 모든 소재를 공급하겠다는 목표 아래 다양한 소재 개발을 추진하고 있다.
스미토모, 분리막 이어 양극재 사업화
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 높은 세계시장 점유율을 확보하고 있는 분리막과 개발을 가속화하고 있는 양극재로 LiB용 공세를 강화하고 있다.
분리막은 기존 수요기업에 대한 안정공급을 추진함과 동시에 신규 수요처 개척에 힘을 기울이고 있으며 양극재는 전구체에 강점을 보유하고 있는 자회사 다나카케미칼(Tanaka Chemical)과 연계를 강화해 조기 사업화를 추진하고 있다.
Previo 브랜드로 공급하고 있는 LiB 분리막은 폴리올레핀(Polyolefin) 베이스에 아라미드수지를 코팅함으로써 세라믹 계열에 비해 내열성이 뛰어나고 가벼운 이점이 있다.
스미토모케미칼은 기존 EV용 수요기업에 대한 안정공급을 지속하면서 오토바이, 자전거, 컴퓨터, 축전시스템(ESS: Energy Storage System) 등 비자동차용 신규 수요처 개척에 힘을 기울이고 있다.
일본 오에(Oe)를 중심으로 자회사 SSLM을 통해 대구공장에서 생산하고 있으며 최근 대구공장의 생산능력을 단계적으로 약 4배 확대했다.
앞으로는 기존 수요기업 소비상황, 신규 수요처 개척 상황에 따라 추가 증설을 추진할 방침이다.
양극재는 장기간의 R&D를 통해 축적한 기술 및 노하우를 활용함과 동시에 다나카케미칼과의 제휴를 강화해 조기 사업화를 추진하고 있으며, 특히 내구성이 뛰어난 차세대제품 개발에 힘을 기울이고 있다.
양극재를 사업화하기 위해서는 더욱 생산효율이 높은 소성 프로세스 확립이 필수적이어서 스미토모케미칼은 에히메(Ehime) 공장에 도입한 파일럿 설비에서 신규 프로세스 개발을 가속화하고 있으며 소성설비에 대한 투자도 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
미츠비시, 전해액‧음극재 증설 적극화
미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 LiB용 전해액과 음극재를 생산하고 있다.
글로벌 LiB 시장은 최근 경제성장 둔화가 악재로 작용하고 있으나 미츠비시케미칼은 중장기적으로 전동화 흐름에 따라 자동차용을 중심으로 수요가 계속 늘어날 것으로 예상하고 개발 및 공급체제 확충에 힘을 기울이고 있다.
전해액은 첨가제 기술을 활용해 고기능제품으로 경쟁력을 강화하고 있다. 최근 LiB의 수명, 내구성, 입출력특성 밸런스를 향상시킬 수 있는 차세대제품을 개발해 양산을 앞두고 있다.
아울러 진화하고 있는 양극 및 음극에 대응한 첨가제 개발을 강화해 기존제품과 신규제품의 조합에 따른 차별화를 가속화할 방침이다.
음극재는 자동차용에 요구되는 성능 부여에 힘을 기울이고 있다.
장수명, 고내구성 뿐만 아니라 급속충전, 고용량화에 대응하는 차세대형을 개발하고 있으며 천연흑연의 과제인 팽창을 억제한 신제품을 개발해 수요처 평가에서 높은 평가를 받은 것으로 알려졌다.
실리콘계 개발에도 착수해 사이클특성 향상 등에 힘을 기울이고 있으며 2022-2023년 시장 투입을 목표로 하고 있다.
설비투자도 적극 추진하고 있다.
전해액은 일본, 미국, 영국, 중국에서 잇따라 증설을 진행하고 있다.
일본에서는 미에(Mie) 소재 1만1000톤 공장에서 진행하고 있는 5000톤 증설공사를 2020년 완료할 예정이고, 미국공장은 최근 7000톤을 확대해 1만7000톤 생산체제를 구축했으나 풀가동에 근접하고 있어 추가 증설을 계획하고 있다.
1만톤 공장을 가동하고 있는 중국에서도 7000-8000톤 증설을 검토하고 있으며, 유럽에서는 2021년 이후 시작하는 신규 중기 경영계획을 통해 영국 또는 다른 국가에서 증설을 추진할 방침이다.
음극재는 일본에 1만톤, 중국에 8000톤 생산체제를 구축하고 있다.
일본 가가와(Kagawa) 공장에는 2020년 중반 가동을 목표로 장수명 및 고내구성 차세대제품 2000톤 양산설비를 건설하고 있으며, 중국 칭다오(Qingdao) 공장은 2021년 6000-8000톤을 증설해 총 2만6000-2만8000톤으로 확대할 계획이다.
우베코산, 분리막‧전해액 협업 강화
우베코산(Ube Kosan)은 글로벌 LiB 소재 시장에서 생존하기 위한 체제 구축에 주력하고 있다.
분리막은 맥셀(Maxell Holding)과 공동으로, 전해액은 미츠비시케미칼과 협업해 사업기반을 강화하고 있으며 자동차용을 중심으로 차세대 및 차차세대 니즈에 대응한 소재 개발에 박차를 가하고 있다.
분리막 사업은 2019년 1월 맥셀과 통합함에 따라 원막과 원막에 무기 미립자를 코팅해 내구성을 향상시킨 도포형 분리막을 일괄적으로 운영하는 체제를 구축했다.
분리막은 자체 개발한 건식공법을 이용해 3층 구조로 생산하고 있으며 고속충전이 가능하고 안전성이 뛰어난 이점을 바탕으로 xEV용 시장을 공략하고 있다.
원막은 2020년 8월까지 총 생산능력을 3억2000만평방미터로 30% 확대하고 2021년 이후 4억평방미터까지 늘릴 계획이며 원막과 도포형 모두 수요기업의 증설계획에 따라 추가 증설을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
전해액은 2018년 1월 중국사업을 미츠비시케미칼과 합작으로 전환한 이후 원료조달 및 생산성 측면에서 통합효과가 나타나 수익성이 개선된 것으로 파악되고 있다.
우베코산은 LiB 고용량화, 안전성 향상 등 다양한 요구에 대응하는 분리막, 전해액, 음극재를 집전체에 결집시키는 바인더(접착제)용 PI(Polyimide) 소재 등 차세대 및 차차세대제품 개발에 힘을 기울이고 있다.
DKS, 고성능화 및 안전성 향상에 주력
DKS는 LiB 관련소재 사업화에 힘을 기울이고 있다.
DKS는 2018년 7월 자회사인 Elexel을 흡수합병한 이후 R&D 체제를 구축해 신규 소재 개발을 가속화하고 있다. LiB 고성능화 및 안전성 향상을 고려하면서 차세대 배터리 용도를 개척하고 있으며 종합력을 활용한 토탈 솔루션을 공급하고 있다.
DKS는 양‧음극용 첨가제, 전해질 소재, 연소방지 및 회로보호용 소재 등 다양한 배터리 소재를 공급하고 있다.
높은 용해성과 분산성을 보유한 CMC(Carboxy Methyl Cellulose)를 음극용 분산제로 투입하고 있으며, 신규 소재인 CNF(Cellulose Nano Fiber), FSI(Bis(fluorosulfonyl)imide)계 이온액체 등은 응용개발을 진행하고 있다.
최근에는 차세대 LiB 음극용 소재 개발에 주력하고 있다.
새롭게 개발한 도전제 분산체는 CNF와 CMC를 조합함에 따라 뛰어난 분산 안정성과 도료 성능을 겸비하고 있어 난분산성 나노카본계 도전제를 고농도로 분산시킬 수 있으며 차세대 음극소재로 주목받고 있는 실리콘계에도 적합한 것으로 알려졌다. 수요처 요구에 따라 개량을 추진하고 있으며 앞으로 본격적인 샘플작업을 시작할 예정이다.
이온액체는 차세대 배터리로 기대되는 전고체전지 등에 적용하는 방안을 모색하고 있다.
연소방지용 등 모듈 주변소재를 포함한 종합적인 대책도 가속화하고 있다.
배터리 연쇄 폭발을 방지하는 우레탄(Urethane)계 엘라스토머(Elastomer)는 난연성이 뛰어나 고온에서도 용융하지 않고 뛰어난 차열‧단열효과를 발휘하는 특징이 있다.
시트, 튜브 형태로 성형해 공급하고 있으며 배터리 사이에 끼우거나 말아 넣음으로써 파열, 발화 등 배터리 연소를 방지할 수 있는 것으로 파악되고 있다.
JFE, 음극재 성장전략 가속화
JFE Chemical은 LiB용 음극재 사업의 성장전략을 가속화하고 있다.
세계 최대의 전동자동차 시장인 중국에 생산체제를 구축하고 차세대 배터리를 개발하는 스타트업에게 투자하고 있으며 HV용 등 음극재 판매가 호조를 보임에 따라 증설을 검토하고 있다.
중국에서는 철강 메이저 Baowu Carbon, 흑연전극 위탁가공기업 Tianhe Carbon과 합작으로 네이멍구자치구(Neimenggu) 소재 우하이(Uhai)에 침상 코크스(Needle Cokes)계 음극재 1만톤 설비를 건설하고 있으며 수요에 따라 증설을 검토할 방침이다.
20년 이상 음극재 사업을 이어온 JFE Chemical은 고내구성 구형 인조흑연계, 고용량 피복 천연흑연계, 내구성과 출력특성이 뛰어난 하드카본계 음극재를 공급하고 있는 가운데 중국 합작사업으로 주요 품종을 모두 커버해 다양한 용도 및 요구성능에 대응할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
전수지전지를 개발하는 벤처기업 APB에 투자하는 등 장기적인 성장을 위한 전략도 강화하고 있다.
전수지전지는 전해액을 포함한 페이스트 상태의 수지에 활물질을 혼합해 전극을 만드는 것으로 안전성, 용량을 향상시킬 수 있는 이점이 있으며 하드카본계 음극재가 필수적인 것으로 파악되고 있다.
JFE Chemical은 대형 축전지, 자동차용으로 실용화하겠다는 목표를 세우고 음극재 고용량화 및 성능 최적화를 위한 공동개발을 추진하고 있다.
JFE Chemical이 공급하는 음극재는 세계적인 환경규제 강화, 중국 NEV 규제의 영향으로 전동자동차를 중심으로 채용이 확대되고 있다.
생산체제는 구라시키(Kurashiki)를 중심으로 가사오카(Kasaoka), 지바(Chiba), 중국 산둥성(Shandong)에 구축하고 있으며 성장 상황에 따라 외주를 포함해 기동적인 증산을 검토할 방침이다.
Morita, 유럽시장 개척 본격화
Morita Chemical은 2018년 유럽연합(EU) 시장 개척을 위한 첫걸음으로 독일에 진출했으며 중국에서는 EV 뿐만 아니라 자율주행 자동차용으로 배터리 수요가 증가할 것으로 예상하고 LiB용 전해질 생산기반을 확충하고 있다
Morita Chemical은 2018년 8월 독일에 현지법인 Morita Materials를 설립해 시장조사, 판매, 원료조달을 담당하고 있으며 생산설비 건설을 신중하게 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
중국에서는 생산능력을 확대하고 있다.
Zhejiang Morita New Materials은 2020년 가동을 목표로 반도체 제조 프로세스의 세정 및 에칭에 사용되는 고순도 불산 2만톤 공장을 건설하고 있다.
평가 프로세스는 일본에서 생산한 고순도 불산을 활용해 조기에 가동할 수 있는 체제를 구축할 방침이다.
Morita New Energy Materials은 2019년 3월 타이싱(Taixing)에 LiPF6(육불화인산리튬) 공장을 신규 건설함으로써 장자강(Zhangiiagang) 5000톤 공장을 포함해 총 1만8000톤 생산체제를 구축했으며 수요 증가에 대응해 증설 또는 다른 무기불화물 생산설비 도입을 검토하고 있다.
중국은 자율주행 자동차용 LiB 보급이 급속도로 확대되고 있으며 정부 주도로 납축전지 대체용 수요가 본격화되고 있다.
