글로벌 전기차 판매량은 2022년 전년 대비 42% 성장한 894만 대를 기록했습니다. 전기차 시장이 성장하면서 전기차 배터리 시장규모는 2025년까지 연평균 21% 성장할 것으로 예상됩니다. 전방시장의 급속한 성장으로 2차전지 핵심소재에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
1. 양극재
양극재는 배터리 제조 원가의 35% 이상을 차지하는 핵심소재입니다. 양극재에 쓰이는 원소들의 비율에 따라 양극재의 용량, 에너지 밀도, 안정성, 수명 등이 달라집니다. 기업들은 양극재 핵심 원소 확보에 사활을 걸고 있습니다.
역할
리튬이온 배터리는 수명이 길고, 무게와 소형화 가능하다는 장점이 있습니다. 양극재는 리튬의 공급원으로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정합니다.
시장규모
양극재 시장은 2024년 456억 달러(한화 59조원), 2030년에는 783억달러(한화 100조) 규모로 성장할 것으로 예상되며 많은 기업들이 투자를 진행하고 있습니다.
양극재 소재에 따른 배터리
양극재 원재료의 구성성분 차이에 따라 NCM, NCA, LFP 배터리로 구분 할 수 있습니다.
NCM
니켈, 코발트, 망간으로 구성된 배터리입니다. 에너지 밀도가 높아 주행가능거리가 길고 성능이 안정적입니다. 하지만 원료 수급이 어렵고 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.
NCA
니켈, 코발트, 알루미늄으로 구성된 배터리입니다. 에너지밀도가 높아서 주행거리가 길고 출력이 좋습니다. 하지만 수명이 짧고 열 안정성이 떨어진다는 단점이 있습니다.
LFP
리튬, 인산, 철로 구성된 배터리입니다. 가격이 저렴하고 열 안정성이 높습니다. 하지만 배터리가 무겁고, 주행가능거리가 짧다는 단점이 있습니다.
2. 음극재
음극재는 배터리 충전속도와 수명을 결정하는 역할을 담당하고있습니다. 양극재에서 나온 리튬이온을 저장한 후 방출 하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 합니다.
시장규모
음극재 시장규모는 2021년 37억 달러(약 4조 7500억)에서 2025년 88억 달러(약 11조 3000억), 2030년 142억 달러(약 18조 2350억) 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. 2025년까지 시장규모가 고성장 할 것으로 예상됩니다.
특히 실리콘 음극재의 성장은 연평균 77%로 예상되며, 향후 천연흑연 사용 비중을 뛰어넘을 것으로 예상됩니다.
음극재 소재에 따른 배터리
2차전지를 충전 하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이로 들어가 부피가 늘어나게됩니다. 이 과정에서 흑연의 팽창은 배터리 구조를 변화시켜 용량이 줄어드는 원인이 됩니다. 이를 해결하기위해 차세대 음극재 소재 개발이 진행되고 있습니다.
흑연
현재 가장 많이 사용되는 소재입니다. 천연흑연은 초기 용량은 우수하지만 충전과 방전이 반복될수록 용량이 급감한다는 단점이 있습니다.
흑연 세계 매장량의 77%(5000만톤)이 중국에 매장되어 있습니다. 2차전지 배터리 핵심소재에 대한 경쟁이 치열해지고 있는 상황이끼 때문에 국가간 경쟁구도를 유심히 살펴봐야합니다.
인조흑연
인조흑연은 2500도 이상 고온의 열처리를 통해 만들어진 소재입니다. 수명이 우수하고 고출력 구현이 가능해 현재 음극재 소재로 많이 사용됩니다. 하지만 여러 제조공정을 거치면서 천연흑연 가격의 2배정도라는 단점이 있습니다.
실리콘 음극재
흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 한 개가 저장됩니다. 하지만 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개가 저장되는 구조를 갖고있습니다. 이런 특성으로 실리콘 기반 음극재는 단위 에너지 용량이 흑연보다 10배가량 높습니다.
고용량, 고출력 성능의 배터리 수요를 만족시키기 위해 실리콘 음극재가 주목받고 있습니다. 하지만 실리콘 음극재는 인조흑연보다 2배 이상 비싸다는 단점을 가지고있습니다.
3. 전해액
배터리의 양극과 음극 사이에서 리튬이온의 이동이 가능하게 만들어주는 역할을 담당하고 있습니다. 그리고 양극과 음극에 보호피막을 형성하여 에너지 밀도, 배터리 수명, 안정성에 영향을 미칩니다.
특징
전해액은 25도씨 이하, 최대 6개월 보관 기간 유지가 어렵습니다. 이런 특징때문에 2차전지 생산업체가 있는 지역에 현지화 생산 체계 구축이 필요합니다.
경쟁요소
전해액은 전해질염, 용기용매, 첨가제 3가지로 구성됩니다. 배터리 형태(원통형, 파우치형, 각형 등)에 따라서 전해액에 들어가는 비중이 다르게 적용되어야 합니다.
전해액을 공급하는 업체는 고객의 요구사항에 맞춰 가장 적절한 조합으로 공급하는 능력이 필요합니다.
최근에는 배터리 화재사고 방지를 위해 고성능 전기차용 전해액의 경우 열화 현상을 막고, 화재에 강한 난연성 전해액을 위한 첨가제가 개발되고 있습니다.