전기자동차(EV) 시장이 급성장하면서 일본 화학기업과 함께 국내기업들도 LiB(리튬이온전지) 소재 투자를 확대하고 있다.
글로벌 2차전지 수요는 2017년 126GWh에서 2025년 1690GWh로 연평균 약 38% 성장하고 2025-2030년 사이 1500-1800GWh에 달해 배터리 소재 수요가 급증할 것이 확실시되고 있기 때문이다.
LiB는 배터리가 충전될 때 양극재에 있던 리튬이온(Li+)과 전자(e-)가 음극판으로 들어가고 방전될 때는 음극에 있던 리튬이온과 전자가 양극판으로 이동하면서 전류를 발생시키는 방식이며 전해액은 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하고, 분리막은 양극과 음극이 직접 접촉해 폭발하는 것을 막아준다.
양극재, 음극재, 분리막, 전해질 4대 핵심소재 시장은 2018년 160억달러(약 17조7000억원)에서 2025년 559억달러(약 62조1000억원)로 249% 성장할 것으로 예상된다.
IBK투자증권은 양극재가 91억달러에서 296억달러로 225%, 음극재는 18억달러에서 76억달러로 322%, 분리막은 25억달러에서 88억달러로 252%, 전해질은 26억달러에서 99억달러로 238% 증가할 것으로 예측하고 있다.
배터리 원가에서 4대 핵심소재가 차지하는 비중은 2017년 68%에서 2018년 72%로 상승했고 코스트 비중은 양극재(36%), 음극재(13%), 분리막(14%), 전해질(9%) 순으로 파악된다.
국내기업, 4대 핵심소재 투자 가속화
국내에서는 코스모신소재, 엘앤에프, 포스코케미칼, 일진머티리얼즈 등이 배터리 핵심소재 생산기업으로 부상하고 있다.
양극재 시장에서는 엘앤에프, 코스모신소재가 주목받고 있다.
엘앤에프는 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 배터리 생산기업들에게 양극재를 공급하면서 글로벌 시장점유율 4위를 달리고 있으며, 코스모신소재는 양극재 생산능력을 2011년 1200톤에서 2018년 7000톤으로 대폭 확대하는 등 사업 확대를 계속하고 있다.
국내 유일의 음극재 생산기업인 포스코케미칼도 주목받고 있다.
포스코케미칼은 2010년 LS엠트론의 음극재 사업을 인수하면서 음극재 시장에 진출해 2018년 기준 글로벌 5위의 생산능력을 갖추고 있다. 특히, 포스코가 그룹 차원에서 2차전지 사업에 집중하고 있어 성장성이 유망한 것으로 평가받고 있다. 포스코는 앞으로 5년간 45조원 투자를 계획하면서 2차전지 등 미래 신성장 사업부문에 10조원을 투입하기로 했다.
일진그룹 계열사인 일진머티리얼즈는 2차전지 핵심소재의 하나인 일렉포일을 생산하고 있다. 일렉포일은 황산구리용액을 전기분해해 만드는 두께 10마이크로미터 이하의 얇은 구리박으로 2차전지 음극 집전체 생산에 투입된다.
일진머티리얼즈는 2019년부터 2023년까지 전기자동차용 일렉포일 6만톤을 공급해 5년간 8000억원 상당의 매출이 발생할 것으로 예상하고 있으며, 1500억원을 투자해 말레이지아에 신규 일렉포일 공장을 건설했다.
한화투자증권은 국내 2차전지 소재 생산기업들이 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션 등 수요처를 확보한 가운데 고부가가치제품 생산비중을 늘림으로써 중장기적으로 수익성 개선이 가능해 합산 영업이익이 2017년 1090억원에서 2020년 3530억원으로 223% 증가할 것으로 예상하고 있다.
자동차, LiB 생산기업들은 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 성능 개선을 통해 배터리 성능 향상과 코스트 절감을 추진하고 있다.
양극활물질과 음극활물질이 개선되면 전기자동차에서 가장 중요한 요소인 배터리의 에너지밀도가 높아지고, 전해질과 분리막이 개선되면 고용량·과충전 환경에서도 배터리의 폭발 위험을 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.
음극재, 포스코케미칼과 일본기업 경쟁국면
포스코케미칼은 2차전지의 양대 소재인 양극재, 음극재를 모두 생산하고 있는 가운데 공격적인 투자로 국산화를 강화하고 있다.
세종시 소재 음극재 2공장은 2019년 11월 1단계 2만톤 생산라인을 본격 가동한데 이어 바로 2만2000톤의 2단계 라인 증설에 들어갔고 주차장으로 활용하고 있는 부지에도 공장을 증설해 2023년까지 생산능력을 10만5000톤으로 확대할 계획이다. 60kWh급 기준 배터리를 장착한 전기자동차 약 175만대에 공급할 수 있는 물량이다.
음극재는 2차전지 수명을 좌우하는 핵심소재로 원료 흑연은 자원이 풍부한 중국과 열처리 기술이 발달한 일본이 시장을 독식하고 있다. 10년 전까지 전량 수입에 의존했지만, 포스코케미칼이 생산량을 늘리며 국산화율이 50%로 상승했다.
세계 시장에서도 품질을 앞세워 일본 미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)과 히타치(Hitachi)를 밀어내며 점유율을 끌어올리고 있다.
포스코케미칼은 대부분 수입에 의존하고 있는 인조흑연계 음극재 국산화에도 나선 상태이다. 침상코크스를 섭씨 3000도로 가열해 생산하는 인조흑연은 천연흑연에 비해 결정구조가 안정적이기 때문에 배터리 수명을 더 늘릴 수 있고 가격이 천연계보다 높아 주로 고급형 배터리에 사용된다.
포스코케미칼은 인조흑연계 음극재 공장 건설을 위해 2177억원을 투자할 예정이다. 포항 블루밸리 국가산업단지에 조성하며, 아프리카 등 해외에 진출해 천연흑연 원료를 안정적으로 확보하고 인조흑연계 공장도 인수합병(M&A)할 계획이다.
포스코케미칼은 양극재·음극재 사업을 2030년까지 세계시장 점유율 20%, 매출액 17조원으로로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있다.
양극재, 에코프로비엠‧포스코케미칼 경쟁
양극재는 2차전지에서 에너지를 저장·방출하는 역할을 하며, 배터리의 성능 뿐만 아니라 안전성에도 영향을 미치면서 글로벌 시장이 2021년 61만톤에서 2025년 275만톤으로 성장할 것으로 예상된다.
글로벌 양극재 시장의 강자는 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)이며 2019년 기준 시장점유율이 42.6%에 달하고 있다. 에코프로비엠의 시장점유율은 16.7%이지만 에코프로비엠과 포스코케미칼이 증설을 통해 스미토모케미칼을 빠르게 대체하고 있다.
에코프로비엠은 2016년 에코프로의 2차전지 사업부가 분리돼 설립된 양극재 전문기업으로 니켈 함량을 80% 이상으로 올린 하이니켈 양극재 분야에서 강점을 갖추고 있고 니켈 함량을 최근 95%까지 올리면서 스미토모케미칼과 같은 수준의 하이니켈 양극재를 생산하기 시작했다.
에코프로비엠은 2004년 정부 국책과제 참여를 계기로 양극재 개발에 뛰어들었고 배터리의 성장성을 믿고 적자를 감수하며 투자한 것이 16년만에 빛을 보고 있다. 매출은 2016년 998억원에 불과했으나 2021년 1조3000억원대를 기대하고 있다. 삼성SDI의 자동차용 2차전지 매출 증가와 함께 급성장하고 있다.
에코프로비엠은 최근 SK이노베이션과도 협력관계를 강화하고 있다. 2023년까지 2조7400억원의 양극재를 SK이노베이션에게 공급하기로 2020년 2월 계약했다.
증설에도 속도를 내 양극재 생산능력을 2021년 약 9만톤에서 2024년 18만톤으로 확대하기 위해 2020년 8월 CAM6를 준공했으며 2022년 1분기 양산을 목표로 하고 있다.
포스코케미칼은 음극재 분야의 강자이지만 양극재 분야에서는 후발주자로 2019년 7월 양극재 공장을 준공하며 경쟁에 뛰어들었다.
포스코케미칼에서 2차전지 소재 사업이 차지하는 비중은 2018년 7%에서 2019년 17%, 2020년에는 35%로 급격히 높아졌고 2021년에는 40%를 넘길 것으로 예상되고 있다.
2020년 양극재 사업 매출은 2500억원 늘어난 3514억원을 기록했고, 2030년까지 양극재 생산능력을 10배인 40만톤으로 확대할 계획이다.
포스코케미칼도 하이니켈 양극재 기술개발을 적극화하고 있고, 니켈 함량이 이미 한계치에 가까워 전구체 공정과 관련해 기존의 2배 이상 생산성이 높아지는 공정 기술을 개발하고 있다.
포스코케미칼은 원재료 확보에서 그룹의 지원을 받고 있다.
최근 포스코가 2018년 인수한 아르헨티나 광산의 리튬 매장량이 인수 당시 220만톤보다 6배 늘어난 1350만톤으로 확인됐다. 포스코는 총 6만8000톤의 리튬 공장 투자를 2021년 추진해 2023년부터 생산에 들어가고 2030년까지 리튬 22만톤, 니켈 10만톤을 공급받을 계획이다.
분리막, SKIET 투자 확대로 점유율 30% 확보
SK이노베이션의 자회사 SK아이이테크놀로지(SKIET)는 LiB용 분리막(LiBS) 수요 급증으로 사업성이 강화되고 있다.
SKIET는 배터리 분리막과 함께 폴더블(Foldable) 스마트폰 등 디스플레이에 투입되는 투명 폴리이미드(Polyimide) 필름을 생산하고 있다. LiBS는 LiB의 성능을 극대화하고 안정성을 확보하기 위해 투입하는 4대 핵심 소재 중 하나이다.
SKIET는 분리막 생산능력을 2019년 5억3000만평방미터, 2020년 8억7000만평방미터에서 2011년 13억7000만평방미터로 확대하고 폴란드 및 중국 공장을 추가 건설해 2023년까지 18억7000만평방미터로 확장할 계획이다.
SKIET는 2020년 11월 중국 창저우(Changzhou) 분리막 공장을 상업가동했다.
창저우 소재 3억4000만평방미터 공장은 2020년 8월 완공했고 3개월 동안 시운전을 거쳐 11월 본격적으로 상업생산에 돌입했다. 이에 따라 증평 5억3000만평방미터를 포함 분리막 생산능력을 총 8억7000만평방미터로 확대했다.
폴란드에 건설하고 있는 공장도 2023년 상업가동하고 생산능력을 2022년 13억7000만평방미터로, 2023년에는 15억4000만평방미터로 확대할 계획이다.
SKIET는 세계 전기자동차 시장에서 절반 수준을 차지하고 있는 중국에서 품질이 우수한 분리막을 생산함으로써 수요에 신속하게 대응해 글로벌 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
생산능력 확대에 우수한 품질의 분리막을 생산하는 기술 경쟁력을 통해 2020년 글로벌 습식 분리막 시장점유율을 26.8%로 확대하며 1위를 차지했고 2025년에는 30%로 끌어올리겠다는 목표를 세우고 있다.
LiBS 메이저인 일본 아사히카세이(Asahi Kasei)는 2분기 이후 자동차기업들의 친환경 전환이 본격화됐고 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 종식 후에는 더욱 가속화될 것으로 기대하고 신증설 프로젝트를 계속하고 있다.
아사히카세이는 자동차 전동화를 좌우하는 것은 분리막이라고 판단하고 있으며 자동차 경량화에 도움이 되는 발포수지와 저연비 타이어 사업도 강화하고 있다.
도레이(Toray)도 헝가리에 LiBS 공장을 건설해 2021년 여름 상업 가동할 예정이며 수직계열화를 기대하고 있다.
전해액, 일본‧중국에 동화이텍 경쟁
LiB 전해액은 일본과 중국이 점유율 확대 경쟁을 벌이고 있다.
일본 미츠비시케미칼과 우베코산(Ube Kosan)은 LiB 전해액 사업 통합에 합의한 후 합작법인 MU Ionic Solutions을 2020년 10월 설립했다. 지분비율은 미츠비시케미칼 80%, 우베코산 20%이다.
합작법인은 양사의 연구개발(R&D), 생산, 판매기능을 집약시켜 글로벌 시장점유율을 15%로 끌어올릴 계획이다. 미츠비시케미칼의 영국 및 미국 공장은 제외됐으나 막강한 생산능력을 활용해 글로벌 경쟁에서 살아남을 수 있는 체제를 마련할 방침이다.
미츠비시케미칼과 우베코산은 각각 일본, 한국에서 주요 배터리 생산기업에게 공급하며 전해액 사업을 확대해왔으나 최근 중국기업 진출이 가속화되면서 고전하고 있다.
양사는 2018년 1월 중국 전해액 사업을 50대50 합작으로 전환한 바 있고 MU Ionic Solutions의 100% 자회사로 흡수했다.
생산능력은 미츠비시케미칼의 미에(Mie) 1만6000톤과 우베코산의 사카이(Sakai) 1만톤, 중국 합작법인 1만톤을 포함 총 3만6000톤에 달하고 있다.
연구개발은 미츠비시케미칼의 미에 사업장과 요코하마(Yokohama) 사이언스 & 이노베이션 센터(SIC)에 집약시킬 예정이다.
국내에서는 동화기업이 2차전지 전해액 사업을 확대하고 있다.
동화기업은 2019년 하반기에 전해액을 생산하는 파낙스이텍을 1283억원에 인수해 자회사 동화이텍으로 편입했다.
동화이텍은 2019년 9월 중국 톈진(Tianjin) 남항공업구에 전해액 2공장을 준공하고 2차전지 사업에 속도를 내고 있다. 톈진 2공장 건설에 260억원을 투자했고 전해액 생산능력이 1만톤으로 파악되고 있다.
중국은 전해액의 원료로 사용되는 육불화인산리튬(LiPF6) 생산을 확대하면서 수직계열화를 강화하고 있다.
전해액 메이저 Guangzhou Tinci Materials Technology는 자회사 Jiujiang Tinci Material과 합작 설립한 Jiangxi Tinci Central Advanced Materials를 통해 기존공장 생산능력을 확대하거나 신규공장을 건설하는 방안을 검토하고 있는 것으로 알려졌다. 유럽에서도 설비투자를 추진하고 있다.
동박, 일진머티리얼즈‧SK넥실리스 경쟁
2차전지 소재인 동박 수요도 증가하고 있다.
글로벌 자동차 배터리용 동박 수요는 전기자동차 보급을 타고 2020년 13만5000톤에서 2025년 74만8000톤으로 증가할 것으로 예상된다.
동박은 2차전지의 음극 집전체로 전기화학적 반응에 따라 발생하는 전자를 모으거나 전기화학 반응에 필요한 전자를 공급하는 역할을 하고 있으며, 8마이크로미터가 주력 투입되고 있다. 1마이크로미터는 0.001밀리미터로 머리카락의 15분의 1에도 미치지 못하는 두께이다.
일진머티리얼즈는 동박 생산의 원조로, 1978년 서울대 공대와 연구계약을 체결했고 10년 뒤인 1988년 양산을 시작했으며 1997년 첫 흑자를 기록했다. 2001년에는 국내 최초로 2차전지용 동박 생산을 시작했다.
1970년대에는 일본기업이 독점했고 국내 전자산업이 성장하면서 인쇄회로기판(PCB) 등에 사용되는 동박 수요가 늘었지만 대부분 일본에 의존할 수밖에 없었다.
일진머티리얼즈는 유럽에 추가 증설해 2022년 말까지 10만톤의 생산능력을 확보할 계획이고 미국법인 설립도 준비하고 있다. 현재 10만톤을 목표로 하고 있지만 수요 변화에 따라 생산능력을 20만톤까지 확대할 수 있도록 할 방침이다.
SKC가 더 얇고 긴 동박 개발에 집중하는 반면 일진머티리얼즈는 동박제품 다양화에 초점을 맞추고 있다. 두께와 길이 경쟁은 보여주기식에 그칠 수 있기 때문으로 반도체 패키지에 투입되는 2마이크로미터 동박 등 부가가치가 높은 첨단 동박을 개발하고 있다.
SKC는 후발주자가 동박 시장에 신규 진출하기 어렵다고 판단하고 기존 생산기업 중 강자였던 KCFT(SK넥실리스)를 인수했으며 SK넥실리스가 세계적 수준의 동박 관련기술을 확보한 만큼 빠른 증설에 초점을 맞추고 있다.
SK넥실리스는 정읍공장 생산능력이 3만4000톤이며 정읍 5공장, 6공장을 각각 9000톤 증설하고 2023년까지 말레이 공장 4만4000톤을 건설해 총 생산능력을 9만6000톤으로 확대할 예정이다. 2025년까지 17만톤 이상의 생산능력을 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
SK넥실리스는 가장 얇고 가장 긴 동박을 제조할 수 있는 기술력을 확보하고 있다. 4마이크로미터 두께의 초극박 전지박을 1.4m의 광폭으로 세계 최장인 30km 길이 생산에 성공한 것은 SK넥실리스가 유일한 것으로 알려졌다.
일본, 전기자동차 소재 점유율 확대 “가속화”
일본은 코로나19 사태 속에서도 배터리 소재를 중심으로 시장점유율 확대에 주력하고 있다.
테슬라(Tesla)에게 원통형 배터리용 분리막을 공급하고 있는 스미토모케미칼은 양극재 사업 진출을 검토하고 있다.
자회사 다나카케미칼(Tanaka Chemical)과 공동으로 니켈 함량이 낮은 로우니켈계 양극재를 개발해 전동차(xEV) 용도에서 채용실적을 올렸고 하이니켈계도 개발해 전기자동차용으로 공급할 계획이다.
합성고무와 EP(엔지니어링 플래스틱) 사업도 자동차 생산 회복과 함께 매출이 원래 수준을 되찾아가고 있다.
도카이카본(Tokai Carbon)은 유럽에서 음극재 생산을 계획하고 있으며, 제온은 바인더 등을 소비국 현지에서 생산하는 방안을 검토하고 있다.
바인더 메이저인 제온(Zeon)은 전기자동차 판매가 증가하고 있는 유럽과 중국을 중점 투자지역으로 설정하고 현지생산을 검토하고 있다.
미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals)은 특수 첨가제 기술로 차별화한 전해액을 일본은 물론 중국에도 공급하고 있으며 증설 가능성을 열어두고 있다. 분리막 소재 투자도 확대할 계획이다.
전기자동차는 경량화를 위해 자동차 대당 PP(Polypropylene) 사용량이 내연기관에 비해 많다는 점에서 북미, 멕시코, 네덜란드 소재 PP 컴파운드 생산설비를 안정적으로 가동하며 글로벌 공급을 강화하고 있다.
자동차 생산이 되살아나면서 DIC로부터 인수한 SMC(Sheet Molding Compound) 성형 사업을 통해 백도어와 배터리 케이스 등 금속을 대체할 수 있는 경량소재 공세도 확대하고 있다.
JSR은 전기자동차 보급이 확대되면 저마모 타이어가 늘어남으로써 SSBR(Solution Polymerized-Styrene Butadiene Rubber) 수요가 증가할 것으로 기대하고 있다.
미쓰이금속(Mitsui Mining & Smelting)은 CASE(커넥티드·자율주행·공유·전동화) 관련 수요 개척에 주력하고 있으며 2020회계연도(2020년 4월-2021년 3월)에서 경상이익을 220억엔 올린 것으로 추정하고 있다. 도어락 장치의 코스트다운이 수익성 개선을 견인한 것으로 파악된다.
SBC, 유럽‧미국 중심 봉지재 설비투자 확대
스미토모베이클라이트(SBC: Sumitomo Bakelite)는 벨기에에서 자동차 탑재용 기기의 봉지재 전용 생산라인을 신규 건설할 예정이었으나 수요기업들이 조기 생산을 희망함에 따라 기존 페놀(Phenol) 성형소재 생산라인을 개조해 출하시기를 반년 이상 앞당긴 것으로 알려졌다.
전기자동차 보급이 본격화되고 있는 미국에서도 기존 생산라인을 활용해 자동차 탑재용 봉지재 수요에 대응할 계획 아래 2022년경 상업가동을 준비하고 있다. 실리콘(Silicone)보다 효율이 높은 탄화규소(SiC) 파워 반도체용 봉지재와 금속 대체수지 공급에 주력하고 있다.
전기자동차를 포함해 친환경 자동차는 파워 반도체와 전자제어장치(ECU), 모터 주변과 대형 기기에 봉지재를 탑재하고 있는 대형시장으로, 스미토모베이클라이트는 자동차 탑재 기기용 사업을 강화해 2025년에는 매출액을 120억엔으로 6배 이상 확대하겠다는 목표를 세우고 있다.
봉지재에 사용하는 에폭시(Epoxy)계 봉지수지(EME)는 모터의 자석 고정소재로 사용할 수 있어 전기자동차 판매가 급증하고 있는 유럽에서 수요가 증가하고 있다.
자동차용 페놀 성형소재를 취급하고 있는 벨기에 자회사도 2021년 봄 기존 생산라인을 EME 전용 생산라인으로 개조해 7월 이후 양산을 시작할 계획이다.
ECU 일괄 봉지용 EME 전용라인도 정비하고 있어 2022년 생산이 가능할 것으로 예상하고 있다. 자석 고정용 EME 생산라인은 페놀 성형소재 등을 생산해온 맨체스터 공장에 건설함으로써 2022년 양산할 방침이다.
미국에서는 테슬라 뿐만 아니라 GM(제너럴모터스)도 전 차종을 전동화하겠다는 목표를 세우고 있고 2020년 10월 최초의 전기트럭 모델인 GMC 하머 EV를 공개했다. 테네시 공장에 총 20억달러를 투입해 갱신작업을 진행하고 있으며 고급 전기자동차 차종을 생산할 예정이다.
스미토모베이클라이트는 앞으로 전기자동차 탑재가 늘어날 것으로 기대되는 SiC 파워모듈용 봉지재를 이미 글로벌 각국에 출하하고 있으며 고온에서 동작하는 SiC 기기 용도로는 기능성 향상에 주력하고 있다.
기존 실리콘에 비해 효율이 우수하고 전기자동차의 항속거리를 연장할 수 있다는 점에서 독일 인피니온테크놀로지스(Infinion Technologies), 이태리-프랑스 합작기업인 ST 마이크로일렉트로닉스(ST Microelectronics), 일본 미츠비시전기(Mitsubishi Electric) 등도 SiC 기기 개발에 나서고 있다.
기기 특성을 좌우하는 SiC 에피택셜 가공 분야에서는 쇼와덴코(Showa Denko)가 투자를 확대하고 있다.
스미토모베이클라이트는 2020년 1월 차세대 전동 액슬(Axle) 시장 개발 추진 프로젝트를 출범했으며 모터, 인버터, 기어박스 등을 일체화한 전동 액슬용으로 EME 등 부재 판매를 확대하고 있다.
전동 액슬 분야에서 세계 시장점유율 25%로 1위를 달리고 있는 Nidec은 최대 전기자동차 시장인 중국에서 전동 액슬을 생산하고 있으며 2020년부터 신제품을 잇따라 투입할 계획이다. 2023년에는 50GW/1600Nm 신제품 양산을 시작하는 것으로 알려졌다.
연구개발 기능도 강화하고 있으며 2020년 9월 중국 쑤저우(Suzhou) 개발센터를 개소한데 이어 2021년에는 다롄(Dalian)에서도 연구인력이 1000명에 달하는 새로운 개발센터 운영을 시작할 예정이다.
유럽의 전기자동차 시장이 중국을 넘어설 것으로 예상되는 만큼 유럽공장에서도 전동 액슬을 생산할 가능성이 제기되고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
