LiB(리튬이온전지) 소재 시장이 전동자동차(xEV) 보급을 타고 급성장하고 있다.
LiB는 스마트폰을 주력 용도로 시장이 형성됐으나 최근 탑재용량이 훨씬 큰 전기자동차(EV) 등 전동자동차 용도가 차지하는 비중이 확대되면서 시장 성장이 가속화되고 있다.
2020년에는 세계 신규 자동차 판매대수 가운데 약 10%를 전동자동차가 차지했으며 각국 정부가 탄소중립 정책을 펼치면서 전기자동차 보급에 박차를 가하고 있어 앞으로도 꾸준한 성장할 것이 확실시되고 있다.
특히, 전기자동차는 배터리 탑재량이 하이브리드자동차(HV)의 70배에 달해 배터리 시장 성장을 주도하고 있는 것으로 파악된다.
2020년 글로벌 시장 230억달러로 성장
일본 야노(Yano) 경제연구소는 글로벌 LiB 4대 소재 시장을 조사한 결과 2020년 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 팬데믹에도 불구하고 자동차 및 소형 가전용 LiB의 성장세가 유지됨에 따라 230억달러로 전년대비 13.1% 증가한 것으로 추정하고 있다.
앞으로는 소재 트렌드에는 몇 가지 변화가 발생하나 셀 수요 증가 등으로 자동차용 및 소형 가전용 시장이 꾸준히 성장할 것으로 예상하고 있다.
글로벌 LiB 4대 소재 시장의 출하량 점유율은 중국이 계속 상승해 2020년 음극재의 약 80%, 양극재 및 전해액의 약 70%, 분리막의 약 60%를 장악한 것으로 파악된다. 
전기자동차용 보조금 정책이 2020년에서 2022년으로 연장되고 2020년 후반부터 저가·저용량 전기자동차 판매가 개시되면서 중국의 강세가 지속되고 있기 때문이다.
반면, 일본은 점유율 2위이나 4대 소재 모두 하락세이고, 한국은 자동차용 셀 공급량 증가에 따라 점유율이 서서히 상승하고 있으며 유럽은 OEM용 출하가 증가하고 있다.
2020년 양극재 시장에서 LFP(리튬인산철) 회귀 움직임이 나타났으며 기존의 고용량화, 저비용화 배터리 개발 방향과 함께 수명 가치가 중요해지고 있다.
자동차용 LiB의 고용량화 추세가 유지되는 한편 LFP 셀을 활용한 Cell too Pack 기술이 코스트 면에서 유망해지고, 환경부하 저감을 위해 폐차 후 자동차용 LiB 재사용·재활용이 검토되는 등 앞으로 수명 가치의 중요성이 높아질 것으로 판단된다.
일본, 핵심소재 고도화 지원 타고 추격
일본은 배터리 시장이 급성장하자 배터리 소재 경쟁력 향상을 적극화하고 있다.
일본 경제산업성은 최근 그린 이노베이션 기금으로 지원하고 있는 배터리, 모터, 반도체 개발계획 및 목표를 발표했다.
배터리는 2030년 생산능력 100GWh를 확보하고 핵심소재 중 양극재는 코발트, 음극재는 흑연을 대체할 수 있는 소재를 개발하기로 했다. 파워반도체는 2030년까지 시장을 1조7000억원대로 확대할 계획이다.
배터리는 저가격화, 광물자원 확보, 재이용 촉진 등이 중요하다고 판단하고 있으며, 당분간 자동차용 수요가 눈에 띄게 급증하지만 2030년 이후에는 가정용‧산업용 등 정치용 수요가 증가할 것으로 판단하고 있다.
일본기업들은 배터리 시장에 초기 단계부터 진출했으나 유럽, 중국에 밀려 영향력이 약화된 상태이다.
양극재는 전고체전지용과 코발트 프리, 음극재는 흑연 대체용 실리콘(Silicone)계나 금속리튬 프로젝트를 지원할 계획이다.
소재 분야에서 일본기업들이 품질 우위성을 가지고 일정한 시장점유율을 확보한 것을 높게 평가하고 있으나 중국이 코스트 뿐만 아니라 품질에서도 추격하고 있어 앞으로 일본기업들의 투자를 돕고 일본 사업장 유지에 박차를 가해야 한다고 판단하고 있다.
반도체도 마찬가지로 실리콘 파워반도체는 설비투자 경쟁이 치열하고 SiC(탄화규소)와 GaN(질화갈륨) 등 차세대 파워반도체도 신흥기업들의 투자 경쟁이 시작될 것으로 예상됨에 따라 과거처럼 영향력을 상실하지 않도록 투자를 적극화할 예정이다.
아사히카세이, 차세대 소재로 고기능화
아사히카세이(Asahi Kasei)는 차세대 배터리 소재 개발을 가속화하고 있다.
납축전지와 LiB 용도로 고기능화에 영향을 미치는 신소재 개발을 추진하고 있으며 전고체전지나 아연음극전지 등 다양한 차세대 배터리를 개발함으로써 축전기기용 수요에 대응함은 물론 최근 확대되고 있는 리사이클 수요 확보에 나서고 있다.
납축전지용 절연막(분리막)은 카본 코트 분리막을 개발해 최근 기술 확립을 마친 것으로 알려졌다. 
카본 소재를 도포한 분리막으로 일반 분리막의 2배에 해당하는 2000회 사이클 특성을 확보했고 납 축전지의 수명 연장에 기여하고 있다. 1차 평가에서 양호한 충전입력성이 좋은 평가를 받아 2023년 실용화가 가능할 것으로 예상하고 있다.
LiB용 건식 분리막 신제품은 건식 특유의 고출력 특성을 유지한 채 강도 제고에 성공했으며 하이브리드자동차 ESS(에너지저장장치)용 LiB에 적합할 것으로 예상하고 2022-2023년 출시를 계획하고 있다.
혁신 전해액도 개발하고 있다.
이온전도도가 높은 아세토니트릴(Acetonitrile)을 전해액 용매로 사용하면 막 두께로 전극을 설계할 수 있어 일반적인 전해액을 사용했을 때보다 전극을 약 20배까지 두껍게 만들 수 있는 것으로 알려졌다.
전극이 후막 가운데 1개 층에서라도 성능을 발휘할 수 있고 리사이클성이 뛰어난 차세대 LiB 실용화에도 도움이 될 것으로 기대하고 연구개발(R&D)을 강화할 방침이다.
새로운 축전기기로는 LiC(리튬이온캐퍼시터)와 2차 이용된 LiB를 조합하는 ESS 용도 개발을 추진하고 있다.
LiC 생산기업의 라이선스 확보를 추진하고 있으며, 출력 특성과 코스트 경쟁력이 우수한 LiC 보급 확대에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
차세대 배터리용 연구에도 총력을 기울이고 있으며, 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트에 참여해 아연음극2차전지 실용화에 도전하고 있다.
아사히카세이는 앞으로 어떠한 배터리가 상업화돼도 분리막을 중심으로 시장점유율 1위를 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
미츠비시케미칼, 하이엔드 용도 정조준
미츠비시케미칼(Mitsubishi Chemical)은 자동차 탑재용 LiB 사업에서 하이엔드 용도를 겨냥한 신소재 제안을 본격화하고 있다.
자동차기업으로부터 코스트와 환경 관련 요구가 확대됨에 따라 새로운 제조 프로세스를 개발함으로써 적극 대응하고 있다.
하이엔드 시장에서 점유율 1위를 확보한 전해액 사업은 양극재나 음극재와 조합하거나 풍부한 노하우를 활용하는 방식으로 수요기업이 원하는 배터리 성능을 구현하고 있다.
현재 개발하고 있는 신규 프로세스는 소재 투입법과 프로세스 합리화, DX(Digital Transformation) 적용 등을 통해 사이클 타임을 대폭 줄이는 것을 목표로 하고 있다.
미국을 시작으로 2-3년 이내에 영국, 중국, 일본 공장에 새로운 프로세스를 도입해 총 6만톤의 생산능력을 확보할 계획이다.
음극재는 팽창을 억제할 수 있는 조립기술을 중심으로 천연흑연만의 환경 특성을 전면에 내세우고 있다.
미츠비시케미칼은 천연흑연이 자동차 탑재용 음극재 표준 사이클 특성을 대폭 상회하고 LiB 장수명화에도 영향을 미친다는 강점을 주목하면서 전기자동차용 LiB 2차 이용 시장 본격화에 대비해 ESS 등으로 재사용할 수 있는 최적화된 음극재 제안에 박차를 가하고 있다.
최근에는 음극재를 제조할 때 이산화탄소 배출량을 대폭 줄일 수 있는 제조공법을 개발하고 있다.
천연흑연은 이산화탄소 배출량이 인조흑연보다 60% 적으며 천연흑연을 표면에 코팅할 때 사용해온 소성처리 대신 화학적 처리를 활용하는 방식으로 40%를 더 줄이는 방법을 고안하고 있다.
미츠비시케미칼은 소재 생산단계부터 환경부하를 낮춤으로써 하이엔드 전기자동차용 시장 개척에 속도를 내고 있다.
스미토모케미칼, 고용량 적용제품 판매 호조
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 특색 있는 소재로 LiB 시장 개척에 나서고 있다.
최근 LiB 고용량화에 적합한 아라미드 코팅 분리막과 양극재 판매량이 급증하고 있으며 앞으로 생산능력을 확대함으로써 코스트 경쟁력을 높일 계획이다.
스미토모케미칼이 생산하는 폴리올레핀(Polyolefin)에 아라미드 수지를 코팅한 분리막 페르비오(Pervio)는 뛰어난 내열성을 갖추어 수요가 증가하고 있다. 얇은 코팅으로 세라믹과 동등 이상의 내열성을 확보할 수 있으며 리튬 수지상 결정(덴드라이트) 억제 효과가 뛰어날 뿐만 아니라 세라믹보다 가볍다는 것도 강점으로 적용하고 있다.
이미 전기자동차용으로 높은 시장점유율을 확보하고 있으며 최근에는 일반기기용 출하량도 증가하고 있다.
스미토모케미칼은 앞으로 수요기업의 니즈에 맞추어 페르비오를 커스텀 공급할 계획이다.
박막화를 통한 고용량 대응이나 급속충전에 필요한 고출력 요구를 충족시키기 위해 균일한 공경을 제어하는 방안을 검토하고 있다.
한국 자회사 SSLM은 분리막 생산능력을 확대하고 원료와 제조공정을 재정비하는 등 합리화 작업을 추진함으로써 코스트 경쟁력을 강화하고 있다.
분리막 다음으로 집중 육성하고 있는 양극재는 자회사 다나카케미칼(Tanaka Chemical)의 하이니켈계 양극재가 고용량 LiB 채용을 계기로 호조를 나타내고 있다.
최근에는 다나카케미칼로부터 전구체를 공급받아 소성하는 프로세스를 개발하고 있으며 에히메(Ehime) 공장에 도입할 예정인 것으로 알려졌다.
대학과의 차세대 배터리 공동 연구개발도 적극화하고 있다.
도호쿠(Tohoku)대학과 고순도 알루미늄박을 사용한 음극재 연구개발에 착수했으며, 교토(Kyoto)대학과는 고체전지 실용화를 위한 소재 및 요소기술 개발을 추진하고 있다.
우베코산, 솔루션형 배터리 소재 공급
우베코산(Ube Kosan)은 LiB 소재 사업에서 점차 고도화되고 있는 수요기업의 니즈 충족에 주력하고 있다.
글로벌 경쟁에서 살아남기 위해 전해액 사업은 미츠비시케미칼과, 분리막은 맥셀(Maxell)과 합작하고 있으며 각각의 강점을 활용해 시너지를 극대화하고 있다.
전해액 사업은 2020년 10월 우베코산이 20%, 미츠비시케미칼이 80%를 출자해 MU Ionic Solutions을 출범시킴으로써 합작투자로 전환했고 양사의 기존 생산설비와 연구개발 기능을 모두 통합했다.
전해액용 첨가제 특허건수로 세계 1위를 다투어온 양사가 손을 잡음으로써 니즈를 정확히 파악하고 만족시킬 수 있는 첨가제 개발에 속도가 붙고 있으며 수요기업의 만족도도 높은 것으로 나타나고 있다.
분리막 사업은 2019년 1월 맥셀과 사업 통합을 위해 우베맥셀(Ube Maxell)에게 사업을 이관했다.
우베맥셀은 고출력화에 적합한 건식 분리막과 건식 원막에 무기입자를 코팅함으로써 내열성을 높인 도포형 분리막을 생산하고 있고, 2020년 8월 사카이(Sakai) 공장의 원막 생산설비를 증설함으로써 전체 생산능력을 3억2000만평방미터로 30% 확대했다.
우베맥셀 분리막은 건식이기 때문에 하이브리드자동차에 주로 채용되고 있으며 요구 특성에 따라서는 전기자동차나 플러그인하이브리드자동차(PHEV)에도 채용이 가능한 것으로 파악하고 있다.
우베맥셀은 2024년 이전에 차기 증설을 추진할 계획이다.
현재 주력 공급하고 있는 하이브리드자동차용 수요만으로도 공급이 부족해질 것으로 판단하고 약 4억평방미터를 증설할 것으로 알려졌다.
LiB 고용량화에 대응할 수 있는 실리콘 음극재용 PI(Polyimide)계 바인더(접착제)나 새로운 음극재로 떠오르고 있는 티탄산리튬(LTO) 개발도 진행하고 있다.
우베코산은 각종 세라믹 사업에서 축적한 무기소재 기술을 접목시켜 LiB 소재 분야의 전통 강자라는 입지를 더욱 강화하고 있다.
일본촉매, LiB 전해질 사업 육성 박차
일본촉매(Nippon Shokubai)는 배터리‧에너지 관련 사업에 경영자원을 집중 투입하고 있다.
중장기적으로 보급이 기대되는 다양한 종류의 배터리를 대상으로 신규 소재를 잇따라 출시하고 있으며, LiB 전해질로 사용할 수 있는 LiFSI(Lithium bis(fluorosulfonyl)imide) 이오넬(Ionel) 육성에 주력하고 있다.
이오넬은 백색 분말형 화합물로 전해액에 첨가하면 저온부터 고온까지 넓은 온도 범위에서 사이클 특성과 레이트 특성, 보존안정성을 높일 수 있어 LiB의 성능 강화에 도움이 되는 것으로 평가하고 있다.
이오넬을 첨가제로 사용하면 효과를 더욱 확대할 수 있어 전기자동차용 LiB 용도를 중심으로 수요가 증가하고 있다.
일본촉매는 이오넬의 고순도‧고품질‧고성능 특성을 활용하면서 코스트 경쟁력을 확대할 수 있도록 신증설 투자도 검토하고 있다.
고체산화물형 연료전지(SOFC) 용도로 공급하고 있는 지르코니아 전해질 시트는 높은 이온전도성과 우수한 강도를 갖추고 있어 SOFC의 발전효율을 높일 수 있다는 점에서 호평를 받고 있다.
SOFC는 데이터센터, 병원, 공장, 대형 쇼핑몰 등 안정적으로 대량의 전력을 공급해야 하는 시설을 중심으로 수요가 증가하고 있으며 북미지역에서 설치량이 급증하고 있는 것으로 알려졌다.
일본촉매는 새로운 배터리 소재도 개발하고 있다.
독자 기술을 활용해 이온전도도를 높이고 리튬이온 수율을 향상시키는 방식으로 개발한 전고체리튬폴리머전지용 전해질막과 충전 시 음극재의 아연에서 생성되는 바늘 형태 결정인 덴드라이트의 관통을 막을 수 있는 아연2차전지용 분리막이 대표적이다.
높은 이온전도성과 가스차단성을 모두 갖추고 있는 알칼리수전해 시스템용 분리막도 수요기업 개척을 본격화하고 있다.
아연2차전지는 새로운 구조를 갖춘 하이브리드 아연 축전지를 개발했다.
양극에 활성탄, 음극에 아연을 사용함으로써 우수한 충‧방전능력을 갖추었고 작동온도 범위가 넓을 뿐만 아니라 장수명 특성을 갖춘 것이 특징이다.
일본촉매는 외부와 공동으로 소재 연구개발을 추진하고 있으며 최적화된 용도 개척에 박차를 가하고 있다.
쇼와덴코, 히타치케미칼 합병 시너지 극대화
쇼와덴코(Showa Denko)는 LiB 소재 사업에서 수요기업의 과제 해결에 도움이 될 수 있는 솔루션 공급을 본격화하고 있다.
히타치케미칼(Hitachi Chemical)을 인수해 통합한 SDM(Showa Denko Materials)의 운영체제를 강화하면서 양사가 갖추고 있던 기술과 생산제품 사이의 시너지를 극대화하고 있다.
쇼와덴코는 LiB 소재로 파우치형 LiB 포장에 사용하는 알루미늄 라미네이트 필름 SPALF, 양극‧음극용 도전조제 VGCF, 음극용 바인더 Polysol, 분리막에 무기 미립자를 결착시킨 바인더 PNVA 등을 공급하고 있다.
SDM은 글로벌 음극재 시장에서 점유율 1위를 차지하고 있다.
쇼와덴코와 히타치케미칼은 똑같이 2차전지 소재를 공급해왔으나 포트폴리오에 겹치는 부분이 거의 없고 통합 후 탄소계, 금속계, 유기계 등 대부분의 소재를 종합적으로 공급할 수 있게 된 것으로 평가되고 있다.
전기자동차 탑재용 LiB는 에너지밀도, 급속충전 특성, 충‧방전 사이클 수명 등 3가지 성능이 요구되고 있으며, 3가지 성능을 향상시키면 전기자동차의 주행거리가 연장되고 충‧방전 시간 단축, 중고 자동차 유통 확대 효과가 창출될 것으로 예상되고 있다.
다만, 특성 간 충돌 가능성이 있어 다양한 소재 및 기술로 대응하는 것이 중요해지고 있다.
SDM은 최근 인조흑연계 음극재 HPG 시리즈를 개발하고 있다.
HPG 시리즈는 다른 음극재에 비해 급속 충‧방전 특성이 우수한 것으로 평가되고, 쇼와덴코의 Polysol과 조합함으로써 경쟁소재와 비슷한 방전 사이클 특성을 확보했고 충전 시 저항을 낮춘 것으로 파악된다.
SPALF로는 스마트폰 등 일반기기용 배터리와 자동차용 배터리에서 확대되고 있는 소형‧경량화나 고용량화 니즈를 충족시키기 위해 양사의 노하우를 총동원함으로써 박막소재와 복잡한 형상 가공이 가능한 포장소재 개발을 추진하고 있다.
쇼와덴코는 요코하마(Yokohama)에 소재한 배터리 소재 평가체제 확충에도 박차를 가하고 있다.
쇼와덴코와 히타치케미칼이 보유한 기술을 집약시켜 실제 배터리 소재로 제조한 후 평가작업을 추진하고 있으며, 소재 개발이나 충‧방전 사이클 등 평가시험에 걸리는 시간을 줄이기 위해 인공지능(AI)을 활용하고 있다.
쇼와덴코와 SDM이 완전히 통합되는 2023년까지 일정 수준의 평가체제를 완성할 방침이다.
JFE, 다양한 음극재 라인업으로 존재감 확대
JFE Chemical은 독자적인 상업소재를 갖추고 있는 음극재 사업에서 LiB 수요 확보에 박차를 가하고 있다.
전기자동차용이 주류인 침상코크스계 음극재는 일본과 중국에서 신증설을 진행하고 있으며, JFE Chemical만이 유일하게 공급하고 있는 하드카본계 음극재는 하이브리드자동차용 판매량과 차세대 배터리용 수요가 꾸준히 증가하고 있는 것으로 알려졌다.
고내구성 인조흑연계와 고용량 피복 천연흑연계 등 다양한 라인업을 갖춤으로써 성장시장에서 새로운 기회를 확보하는 것을 목표로 하고 있다.
침상코크스계 음극재는 중국 내몽골자치구에 1만톤 공장을 건설하고 있다.
중국 철강 대기업인 바오산(Baoshan) 그룹과의 합작투자로 진행하고 있으며 코스트 경쟁력이 우수한 생산체제를 구축함으로써 세계 최대 전동자동차 시장인 중국에서 시장점유율을 확보할 방침이다.
하드카본 음극재는 JFE Chemical만이 생산하고 있으며 고출력 및 고내구성이 우수해 하이브리드자동차를 중심으로 채용이 확대되고 있다.
2020년 생산능력을 2배 확대했으며 수요가 꾸준히 증가하고 있어 일본 혹은 중국에서 추가 증설투자를 진행해야 할 것으로 판단하고 있다.
차세대 배터리로 기대되는 전수지전지 분야에서도 하드카본 음극재 공급이 가능할 것으로 기대하고 있다.
하드카본 음극재가 보유하고 있는 저팽창 특성이 정치용 축전지 시스템 채용이 유력한 전수지전지의 수명 연장에 도움이 될 것으로 예상되기 때문이다.
JFE Chemical은 전수지전지를 개발하고 있는 게이오(Keio)대학 벤처 APB에게 하드카본 음극재를 독점 공급하고 있으며, APB는 다케후(Takefu) 공장에서 2021년 10월 전수지전지 1차 양산에 착수한 것으로 알려졌다.
모바일 단말기용 LiB에 투입되고 있는 인조흑연계와 자동차용으로 널리 사용되고 있는 피복 천연흑연계 음극재도 JFE Chemical의 수익기반 확대에 기여하고 있다.
JFE Chemical은 앞으로 침상코크스와 하드카본 음극재 투자를 적극화하며 다양한 라인업을 바탕으로 글로벌 시장에서 영향력을 확대해나갈 계획이다.
한솔케미칼 중심으로 고려아연․필옵틱스 참여
국내 화학기업들도 전기자동차 배터리 시장이 급성장하자 2차전지 소재 사업에 뛰어들고 있다.
고려아연은 양극재 원료인 전구체 생산을 위해 LG화학과 합작기업 설립을 검토하고 있는 것으로 알려졌다. 아연, 금, 은 등을 제련하는 기존 사업에 폐배터리 재활용 사업을 추가할 가능성이 제기되고 있다.
5G(5세대) 통신장비를 생산하는 분류되는 서진시스템도 최근 2차전지 사업을 확대하고 있다.
2020년 ESS용 케이스 매출이 총매출의 9.4%인 303억원에 달했고, 2021년 하반기부터는 삼성SDI에 전기자동차 배터리용 케이스를 공급하고 있다.
한솔케미칼도 2차전지 소재 생산기업으로 변신하고 있다.
2차전지용 바인더(활물질 접착을 돕는 소재)가 전체 영업이익에서 차지하는 비중이 2021년 처음으로 10%대에 들어서고 2022년에는 20%까지 높아질 것으로 예상된다. 여기에 2022년 실리콘 음극재, 2023년 전고체전지용 고체 전해질 소재 사업을 준비하고 있다.
한솔케미칼은 12개월 선행 주가수익비율(PER)이 15배 수준으로 40배가 넘는 2차전지 소재주에 비해 낮은 것으로 평가되고 있다.
OLED(Organic Light Emitting Diode) 장비를 생산하는 필옵틱스는 2차전지 장비로 변신해 2차전지 레이저 노칭 장비를 생산해 2020년 삼성SDI 헝가리 공장의 신규 공정에 단독 공급했다.
매연저감장치 생산기업인 이엔드디도 2차전지 소재 매출 비중을 확대하고 있다. 전구체 생산능력을 2020년 말 1000톤에서 2021년 말 4000톤으로 확대해 2022년 2월부터 양산에 들어간 것으로 알려졌다.
메리츠증권은 이엔디드의 전구체 매출액이 2022년 721억원, 2023년 1696억원으로 증가하고 2023년에는 매출비중이 60%에 달할 것으로 예상하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
