LiB(리튬이온전지)는 스마트폰부터 전기자동차(EV)까지 다양한 기기에 탑재되며 일상생활에 반드시 필요한 핵심 소재로 자리를 잡아가고 있다.
최근에는 안전성은 물론 고용량화, 고출력화, 장수명화를 실현할 수 있는 다양한 고기능성 확보가 요구되고 있어 배터리 생산기업 뿐만 아니라 배터리 소재 생산기업들도 트렌드 변화에 맞추어 혁신 소재 개발을 가속화하고 있다.

4대 핵심소재 시장 2025년 120조원 성장
LiB를 구성하는 소재는 전기자동차 보급을 타고 시장이 확대되고 있다.
후지경제(Fuji Keizai)에 따르면, 양극재‧음극재‧전해액‧분리막 등 LiB 4대 소재는 글로벌 시장이 2025년 122조3120억원으로 2020년에 비해 4.1배 확대될 것으로 예상된다.
특히, 양극활물질은 78조3920억원으로 5.0배, 음극활물질은 8조5260억원으로 2.7배, 전해액은 7조2590억원으로 2.9배, 분리막은 9조800억원으로 3.0배 확대되고 알루미늄박, 동박 등 집전체와 활물질을 집전체에 활착시키는 바인더, 카본블랙(Carbon Black) 등이 사용되는 도전조제, 외장재 등 기타 소재 역시 18조7850억원으로 3.2배 성장할 것으로 예측되고 있다.
양극재는 배터리 소재 가운데 가장 큰 폭의 성장세를 나타내고 있다.
현재 니켈‧망간‧코발트를 사용한 삼원계가 전기자동차용으로 주로 투입되며 1회 충전당 주행거리 연장을 위해 배터리 고용량화가 요구되면서 니켈 투입비중이 80%에 달하는 하이니켈계나 5V급 전압을 가진 양극재 개발이 이루어지고 있다.
다만, 고용량화만큼 중요한 과제로 떠오른 코스트다운을 위해서는 단가가 높고 자원 문제가 있는 니켈이나 코발트를 사용하지 않는 배터리 개발이 필요해 고용량화에 적합하지 않으나 저렴하고 우수한 안전성을 갖춘 LFP(인산·철·리튬)가 엔트리 모델 전기자동차에 주로 투입되고 있다.
음극재는 흑연계를 중심으로 실리콘(Silicone)을 함유시켜 고용량화하는 연구개발이 활성화되고 있다.
흑연계 음극재는 인조흑연과 천연흑연으로 구분되며 천연흑연계는 인조흑연계보다 저가에 고용량화가 가능하다는 이점이 있으나 급속충전 시 팽창되기 쉽고 장수명화가 어려운 것으로 평가되고 있다.
그러나 최근 과제를 해결하는 동시에 이산화탄소(CO2) 배출량이 적은 신제품 개발이 진행되고 있으며 도시바(Toshiba)의 LTO(티탄산리튬) 음극이 좋은 평가를 받고 있다. 급속충전에 적합한 소재가 계속 개발됨에 따라 천연흑연계 채용도 늘어날 것으로 예상된다.
전해액은 조성을 변경하거나 첨가제 기술과 융합시킴으로써 수요기업의 니즈를 충족시키는 방향으로 개발이 진척되고 있다.
유럽이 화학물질 규제를 강화하며 다른 지역에서 생산된 전해액을 들여오지 못하게 하고 있고, 수송시간이 길어질수록 품질이 저하될 수 있어 현지 생산이 본격화되고 있다.
분리막은 최근 수년 동안 시장 환경이 급변한 것으로 평가된다.
중국 상하이에너지(Shanghai Energy)가 일본 아사히카세이(Asahi Kasei)를 제치고 글로벌 시장점유율 1위로 떠올랐고 전기자동차 배터리 가격이 하향 안정화되며 경쟁이 치열해지고 있다.
분리막은 양극‧음극 단락을 방지하며 최근에는 내열성을 향상시키기 위해 습식 분리막에 세라믹이나 아라미드 등을 코팅한 타입이 전기자동차용으로 다수 채용되고 있다.
그러나 분리막 두께가 두꺼울수록 활물질 사용량을 늘리기 어려워져 분리막 생산기업들은 베이스 소재 자체의 두께를 줄이거나 도공 기술을 개선하고 있다. 현재는 두께가 10마이크로미터 이상이나 조만간 10마이크로미터 미만으로 얇아질 것으로 기대된다.
LiB가 전기자동차 뿐만 아니라 ESS(에너지저장장치)용으로도 다량 투입됨에 ESS용 고출력 LiB에 적합한 건식 분리막 시장도 꾸준히 성장하고 있다.

전고체전지‧리튬황전지, 차세대 배터리로 개발 가속화
LiB 성능 향상과 함께 차세대 배터리 개발도 본격화되고 있다.
전고체전지, 금속공기전지, 다가이온전지 등이 포스트 LiB로 부상하고 있으며 LiS(리튬황전지)는 실용화가 유력한 차세대 배터리 후보로 주목받고 있다.
LiS는 이론 양극용량이 g당 1675mAh로 LiB의 10배에 달하고 소재 공급 리스크가 없는 편이어서 연구개발(R&D)이 활발해지고 있다. 충‧방전 때 형성되는 다황화리튬이 전해액에 용출되는 과제가 나타나고 있으나 이르면 2025년부터 특수 용도를 중심으로 실용화될 가능성이 높은 것으로 평가된다.
GS유아사(GS Yuasa)는 배터리 벤처들과 협력하며 LiS 실용화를 준비하고 있고, 화학기업들도 LiS에 적합한 활물질과 분리막을 개발하고 있어 고용량이면서 가볍다는 장점을 활용한다면 비행 자동차 등에 투입이 가능할 것으로 기대된다.
전고체전지는 차세대 배터리 가운데 가장 집중적으로 연구개발이 이루어지고 있다.
맥셀(Maxell)은 15mm각 고용량 세라믹 패키지형 전고체전지를 개발해 2023년 봄부터 교토(Kyoto) 사업장에서 본격적으로 양산하고 산업용 로봇이나 공장 자동화(FA) 솔루션으로 제안하는 등 전기자동차용 이외의 용도부터 공략할 방침이다.
다만, 전고체전지는 대형화를 둘러싸고 다양한 과제가 있으며 제조 프로세스가 확립돼 있지 않아 양산이 쉽지 않은 것으로 평가된다.
양극‧음극과 고체전해질을 밀착시키는 기술이 가장 중요한 가운데 시장의 기대만큼 기술 정립이 이루어지지 않은 상황이어서 전기자동차용 탑재는 빨라야 2030년 이후 가능할 것으로 판단된다.

아사히카세이, 에너지 저장 중심 신소재 개발
아사히카세이는 신형‧차세대 배터리 소재 개발에 주력하고 있다.
세계적인 탄소중립 트렌드 확산으로 자동차나 ESS 배터리용 소재 수요가 급증하고 다양한 타입의 차세대 배터리 연구개발이 활성화되고 있기 때문이다. 외부와 연계하며 배터리 소재 선구자로서 축적해온 노하우를 살려 기술 개발을 가속화할 계획이다.
아사히카세이는 2022-2024년 경영계획에서 배터리 에너지 분야를 성장동력 가운데 하나로 설정하고 연구개발을 진행하고 있으며 납축전지와 LiB용 분리막은 미국 자회사 폴리포어(Polypore) 산하의 Daramic, Celgard와의 연계를 강화하고 있다.
납축전지의 수명을 연장할 수 있는 카본 코팅 분리막은 아이들링 스톱 자동차 전원이나 전기자동차 보조 전원 용도로 제안하며 수년 후 본격적인 채용이 이루어질 것으로 기대하고 있다.
LiB용 습식 분리막은 화학기업으로서 축적해온 종합적인 능력과 노벨상 수상자인 요시노 아키라 명예 펠로우가 장기간 축적해온 연구개발 노하우, Celgard의 가공기술 등을 조합해 전기자동차와 ESS 용도에서 신소재 개발을 진행하고 있다.
LiB 고성능화, 동작온도 광범위화에 대응할 수 있는 혁신 전해액은 2022년 4월부터 유럽에 개발자를 파견해 신형 배터리 개발이 활발한 유럽 배터리 생산기업들과 함께 시험제품을 평가하고 있으며 수년 후 본격적인 채용이 가능하도록 제안 활동과 함께 사업모델 구축까지 추진하고 있다.
이밖에 새로운 축전기기로 LiC(리튬이온커패시터)도 개발해 라이선스 사업을 준비하고 있다.
차세대 배터리 분야에서는 전고체전지 연구개발에서 최전선을 달리는 기술개발조합 LIBTEC(리튬이온전지 소재평가 연구센터)에 참여하며 최첨단 정보를 활용해 기술에 대한 이해도를 높이고 있다.
간사이(Kansai)대학과 리튬황2차전지 소재 개발을 진행하고 있으며, 아연음극2차전지 실용화를 목표로 하고 있는 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 프로젝트에도 참여하고 있다.

MCC, 하이엔드 소재 라인업 다양화
미츠비시케미칼(MCC: Mitsubishi Chemical) 그룹은 LiB 소재 사업에서 하이엔드 시장에 대한 공세를 강화하고 있다.
주력제품인 전해액은 전해액 조성 최적화, 첨가제 기술을 활용해 고도화되고 있는 니즈를 충족시키고 있으며 코스트 경쟁력 강화를 위한 신규 프로세스를 개발해 일본‧미국 사업장에 도입하는 방안을 검토하고 있다.
음극재는 천연흑연 신소재를 전면에 내세우며 뛰어난 LCA(Life Cycle Assessment) 특성을 강조하고 있고 LiB 셀용 스페이서 양산을 검토하는 등 LiB 주변 소재 제안도 가속화하고 있다.
미츠비시케미칼 그룹이 공급하는 전해액은 하이엔드 시장에서 이미 높은 점유율을 확보하고 있으며 LiB 고용량화가 진행되는 가운데 하이니켈 양극재와 실리콘 음극에 대한 제안을 강화하고 있다. 고전압, 고출력화 등 수요기업들의 니즈에 맞추어 전해액 신제품을 개발하거나 최적제품을 제안하는 활동 역시 본격화하고 있으며 최근에는 전해액 프로세스를 새로 개발하고 있다.
소재 투입법을 변경하거나 DX(디지털 트랜스포메이션) 융합을 통해 사이클 타입을 수십퍼센트 정도 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있으며 일본과 미국 사업장에 먼저 도입하고 1-2년 안에 영국‧중국 사업장에도 확대 적용할 방침이다.
음극재는 신규 천연흑연계 판매 확대에 주력하고 있다.
천연흑연은 제조공정상 온실가스 배출량이 인조흑연의 절반 수준이며 미츠비시케미칼 생산제품은 저팽창성이 뛰어날 뿐만 아니라 배터리 장수명화에 기여할 수 있다는 장점이 좋은 평가를 받고 있다.
신규 프로세스를 적용함으로써 수율을 대폭 향상시켰으며 증설을 결정한 중국 외에 유럽과 미국에도 신규 사업장을 건설함으로써 생산을 확대할 방침이다.
출시를 앞두고 있는 스페이서는 LiB 셀 간의 방열이나 단열에 기여하는 소재로 기존 노하우를 살려 LiB 주변 수요를 확보할 계획이다.
전고체전지, 리튬공기전지 소재 개발도 진행하고 있으며 대학, 공공기관 등과 연계하면서 차세대 배터리 실용화에 기여하고 있다.

SCC, 분리막 박막화로 고용량화 지원
스미토모케미칼(SCC: Sumitomo Chemical)은 독자 기술을 강화함으로써 고도화되는 LiB 생산기업들의 요구에 적극 대응하고 있다..
LiB 고용량화가 요구되는 가운데 분리막은 박막화를 추진하고 있다. 2024년까지 아라미드 코팅 분리막 중 가장 얇은 도공층을 만들 수 있는 기술을 확립하고 LiB 내부 활물질량을 늘리도록 해 결과적으로 고용량화에 기여할 계획이다.
양극재 사업에서는 신규 소성 프로세스 기술 실증을 진행하면서 리사이클 기술 개발에 주력하는 등 트렌드에 최적화된 소재 및 기술 개발을 가속화하고 있다.
스미토모케미칼의 배터리 소재 주력제품은 폴리올레핀(Polyolefin) 베이스 소재에 아라미드 수지를 코팅시킨 분리막으로 전기자동차 용도에서 높은 시장점유율을 차지하고 있는 한편 일반기기 용도에서도 판매량이 꾸준히 증가함에 따라 한국공장을 증설하고 있다.
앞으로는 세계에서 가장 얇은 막을 도공할 수 있는 기술을 확립함으로써 활물질량 증가에 기여할 계획이다.
아라미드 코팅은 일반적인 세라믹 코팅보다 얇게 코팅해도 안전성을 유지할 수 있으며 리튬 덴드라이트(수지상 결정) 억제 효과까지 갖추었기 때문에 도공 최적량을 설정함으로써 높은 안전성을 유지한 채 분리막 박막화를 실현 가능할 것으로 기대하고 있다.
양극재 사업에서는 자회사 Tanaka Chemical의 전구체를 활용해 새로운 소성 프로세스를 개발하고 있으며 완성 후 단일라인 기준 세계 최대 생산능력을 갖출 것으로 예상된다.
지속가능한 코발트 프리 양극재 연구개발도 추진하고 있다.
환경부하 저감을 위한 리사이클 프로세스 개발에도 착수해 교토대학과 함께 다이렉트 리사이클 기술 개발 및 실증을 진행하고 있다. 공동 연구처인 JERA가 분리 회수한 양극재를 금속으로 되돌리지 않고 양극재로 직접 재생하는 방법을 개발한 것으로 알려졌다.
이밖에 리사이클 전과 동등하거나 훨씬 우수한 성능을 낼 수 있는 업사이클 기술도 개발할 예정이며 대학 등과 연계해 차세대 배터리 소재 연구개발에도 박차를 가하고 있다.

우베, 전해액‧분리막 합작사업 통해 시너지
우베(UBE)는 LiB 소재 사업이 세계적인 탈탄소화 흐름에 맞추어 호조를 누릴 것으로 기대하고 있다.
전해액은 미츠비시케미칼과, 분리막은 맥셀과 합작기업을 통해 생산하며 파트너와의 시너지를 극대화하고 다양한 니즈를 충족시킬 수 있는 사업체제를 확립하고 있다.
전해액 사업은 2020년 10월 미츠비시케미칼과 합작 설립한 MU Ionic Solutions에 양사의 중국 사업과 일본 생산설비, 연구개발 기능을 집약시킨 바 있다. 우베와 미츠비시케미칼 모두 전해액 성능을 향상시킬 수 있는 첨가제 사업에서 다수의 특허를 보유하고 있다는 강점을 살려 트렌드를 신기술 개발에 적극 반영하고 있다.
분리막 사업은 2019년 1월 맥셀과 사업을 통합했다.
합작법인 Ube Maxell을 통해 건식 분리막을 생산하고 있으며, 또다른 합작법인인 Ube Maxell Kyoto는 건식 분리막에 무기 미립자를 도포함으로써 내열성과 생산성을 향상시킨 도포형 분리막을 생산하고 있다.
우베의 건식 분리막은 고출력화에 적합한 특성을 살려 하이브리드자동차(HV)용으로 높은 시장점유율을 확보하고 있으며 순수 전기자동차(BEV) 분야에서도 채용이 확대될 것으로 예상된다. 배터리 성능 향상과 코스트 다운 효과를 모두 충족시킬 수 있어 앞으로도 박막화 및 도포 기술을 개선함으로써 생산성을 강화해 수요 증가에 적극 대응할 방침이다.
사카이(Sakai) 공장에서는 2020년 8월 건식 분리막 생산능력을 3억2000만평방미터로 30% 확대했으며 중장기 배터리 수요 증가에 맞추어 4억평방미터 체제로 확대하기 위한 차기 증설 투자도 검토하고 있다.
신규 LiB 소재 개발을 위해서는 고용량화 기술로 주목받고 있는 실리콘계 음극재의 충‧방전 시 팽창 및 수축에 대응할 수 있는 이미드계 바인더나 급속충전에 적합한 음극재 티탄산리튬 등을 개발하고 있다.
전고체전지 등 차세대 배터리용 소재 개발을 위한 조사 작업도 계속하고 있는 것으로 알려졌다.

레조낙, 경영통합으로 포트폴리오 다각화 
레조낙(Resonac)은 전신 쇼와덴코(Showa Denko) 시절부터 축적한 그룹의 종합적인 능력을 활용해 LiB 관련 사업에서 수익을 개선하고 있다.
쇼와덴코 본사와 SDM(Showa Denko Materials)이 보유하고 있는 광범위한 소재‧부재 기술을 조합해 수요기업의 과제를 해결하는 솔루션 제공형 사업모델이 차별화 포인트로 주목된다.
쇼와덴코는 SDM과 2023년 1월 경영통합을 거쳐 레조낙을 출범시켰고 모빌리티 분야에서 기술 시너지 창출을 가속화할 계획이다.
쇼와덴코는 LiB 소재로 배터리 포장용 알루미늄 라미네이트 필름 SPALF, 양극‧음극용 도전조제 VGCF, 음극용 바인더 폴리졸, 분리막에 무기 미립자를 결착시키기 위한 바인더 PNVA 등을 공급해왔다.
SDM은 인조흑연 및 천연흑연계 음극재를 생산해 쇼와덴코와 중복되는 생산제품이 적어 레조낙은 양사 기존 보유기술 융합을 통한 시너지가 클 것으로 기대된다.
전기자동차용 LiB 용도로는 인조흑연계 음극재 신제품 HPG와 폴리졸을 조합해 제안하고 있다.
HPG는 경쟁제품에 비해 급속 충‧방전 성능이 우수하고 폴리졸은 SB(Styrene Butadiene)계 바인더보다 저저항화에 적합한 것으로 파악된다.
LiB를 고용량화하기 위해 음극재를 고밀도 첨가하면 전기저항치가 올라가는 과제가 있으나 양제품을 조합함으로써 배터리 특성 밸런스를 유지하며 급속 충‧방전 특성을 대폭 높일 수 있도록 했다.
SPAL를 구조 소재로 사용하고 SDM이 보유하고 있는 부재 가공기술을 조합해 제조한 라미네이트 필름형 냉각기 LAMICOOLER도 주목된다. 냉각기는 LiB 구동 시 발생하는 열을 효율적으로 방출함으로써 발열 때문에 발생할 수 있는 성능열화를 막는 역할을 하고 있다.
LAMICOOLER는 알루미늄 합금 압출이나 용접으로 만드는 냉각기보다 제조코스트 저감과 경량화에 유리하며 설계자유도가 높은 것이 특징으로 전기자동차 주행거리 연장에 기여할 수 있다는 점을 살려 5년 안에 채용실적을 거두는 것을 목표로 하고 있다.

일본촉매, LiB 전해질 글로벌 공급 확대 
일본촉매(Nippon Shokubai)는 배터리 고성능화에 기여할 수 있는 다양한 소재를 연구개발하고 있다.
2013년 상업생산을 시작한 LiB 전해질 LiFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)는 예전부터 널리 사용되고 있으나 일본촉매가 세계 최초로 양산한 이오넬만이 수요기업들이 요구하는 수준의 고품질‧고순도 생산이 가능하다는 강점이 주목받고 있다.
이오넬은 전해액에 첨가해 LiB가 저온 및 고온 환경에서 LiB가 일으킬 수 있는 다양한 과제를 동시에 해결할 수 있는 것으로 알려졌다. 저온에서는 저항을 낮출 수 있고 저온 사이클 시 리튬 석출을 막아 전해액 분해에 따른 가스 발생량을 막음으로써 배터리 안전성과 신뢰성을 높일 수 있으며 고온에서는 전극 열화와 가스 발생을 막고 수명 향상, 안전성 개선 등을 도모할 수 있다.
이오넬은 뛰어난 특징이 좋은 평가를 받으며 전기자동차 LiB 용도를 중심으로 채용이 확대되고 있다.
전해질 주염으로 사용되는 LiPF6(육불화인산리튬) 일부를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 아예 주염으로 사용되는 기회도 늘어나고 있다.
최근 LiB 시장 확대를 타고 해외를 중심으로 이오넬 수요가 급증함에 따라 신증설 투자를 검토하고 있으며 공급 안정화와 코스트 경쟁력 향상을 위해 자체생산 외에 현지기업과의 합작하는 가능성도 열어두고 있는 것으로 알려졌다.
미국 생산을 검토하는 한편, 유럽에서는 아케마(Arkema)와 공동으로 양산화를 준비하고 있다. 세계 최대 시장인 중국에서는 최근 자본참여한 Henan Yicheng New Energy를 통해 중국과 아시아 수요기업에게 이오넬을 공급하고 있다.

도레이, 소재 기술력으로 차세대 배터리용 공세
도레이(Toray)는 차세대 배터리용 소재 개발에 주력하고 있다.
새로운 배터리를 실용화하기 위해서는 혁신 소재 개발이 선행돼야 한다는 판단 아래 포스트 LiB로 주목받고 있는 금속리튬음극전지용으로 아라미드를 사용한 무공 분리막을 개발해 일부 샘플 공급을 시작했으며 완벽한 배터리라는 평까지 받고 있는 리튬공기전지용으로는 이온전도폴리머막 제안을 준비하고 있다.
금속리튬음극은 이론상 용량이 가장 높아 고용량화가 과제인 배터리산업에서 차세대 배터리로 주목받고 있으나 충전 시 리튬 덴드라이트가 성장해 분리막을 파괴하고 쇼트를 일으키는 과제가 있어 고내열 아라미드 폴리머 무공층을 미다공 분리막 위에 적층시키는 방법을 채용해 과제 해결에 도전하고 있다.
무공층이 리튬 덴드라이트를 억제할 수 있어 분리막에 적용했을 때 배터리가 100사이클 후에도 80% 이상의 용량을 유지 가능함을 확인했다. 현재 샘플 출하 단계로 2025년 이후 금속리튬음극전지와 함께 상용화될 것으로 기대하고 있다.
이온전도폴리머막은 리튬공기전지 분리막으로 사용이 가능할 것으로 예상된다.
리튬공기전지는 2종의 전해액을 사용하며 아라미드 폴리머와 리튬염을 복합시킨 무공성 이온전도폴리머막이 2개 전해액을 분리할 수 있을 것으로 파악되고 있다. cm당 3×10마이너스5승S로 높은 이온전도성을 달성했으며 리튬금속음극전지처럼 덴드라이트 억제에도 기여할 수 있다.
현재의 LiB보다 10배 이상 우수한 이론상 중량에너지밀도를 갖춘 리튬공기전지가 실용화된다면 UAM(도심형 항공 모빌리티) 보급에도 속도가 붙을 것으로 전망된다.
액 분리성에 고이온전도성, 덴드라이트 내성까지 모두 갖춘 소재는 도레이 개발제품이 세계 최초이며 리튬공기전지가 2030년대 이후 실용화될 것으로 예상됨에 따라 소재 개발이 뒷받침할 수 있도록 개발을 가속화할 계획이다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com)