[2차전지] 테슬라가 배터리에서도 1등인 이유 - 건식 전극 공정

'하이투자증권_이차전지_배터리 공정 지각변동'

 

리포트 중요 내용 일부를 정리, 작성한 글입니다.

 

자료는 아래에 첨부해두었습니다.

 

 

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1. 삼원계 배터리 원재료 가격 상승세는 부담 요인

 

최근 전기차 시장이 급성장하는 가운데, 코로나, 러시아-우크라이나 사태로 인해 배터리 핵심 원자재인 리튬, 니켈, 코발트 등의 가격이 크게 성장했다. 통상적으로 양극재 판가는 주요 원재료(니켈, 리튬, 코발트, 망간 등) 가격 변화에, 전기차 배터리 셀 판가는 양극재 가격 변화에 연동되어 결정되는 구조이다. 따라서 원재료 가격 상승 부담은 양극재, 배터리 셀 제조사가 아닌 완성차 OEM 업체로 전가된다. 여기서 발생할 수 있는 우려는 크게 두 가지이다.

 

 첫째. 완성차 OEM 업체들이 수익성을 감내하면서까지 원재료 가격 상승 부담을 온전히 받아주느냐.

 

 둘째. 원재료 가격 상승으로 인한 전기차 생산 비용 증가는 전기차 판매 가격 인상을 야기해 시장 수요에 변  수로 작용.

 

비정상적인 급등세를 보였던 원재료 가격이 점차 하향 안정화될 것으로는 보고 있지만, 폭발적으로 증가하고 있는 전기차 수요로 인해 배터리 원재료 가격의 불확실성이 언제든지 커질 수 있다는 점은 고민거리이다.

 

 

 

2. 가격 경쟁력 높은 LFP 배터리, 전기차 시장 내 점유율 빠르게 상승

 

지난 4Q21 전체 전기차 향 LFP 배터리의 출하 용량 기준 시장점유율은 약 29%였다. 현재 버스, 트럭 등은 배터리 탑재 공간이 넓어 가격이 저렴한 LFP를 대부분 채택하고 있다. 이를 제외한 승용차에서의 상반기 LFP 배터리의 출하용량 기준 시장점유율은 24%이다. 불과 1년 전에 비해 15%나 상승했다. 반면, NCM/NCA 배터리 출하 용량 기준 점유율은 같은 기간 동안 90%에서 75%까지 하락했다.

 

Tesla를 포함한 주요 완성차 업체들이 LFP 배터리 채택을 고려하는 주된 이유는 LFP가 지닌 화학적 안정성과 저비용, 장수명의 장점 때문이다. 다만 NCM/NCA보다 상대적으로 에너지 밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 그러나 LFP 배터리의 최대 단점으로 꼽혔던 짧은 주행거리가 셀투팩(Cell to pack) 기술 등의 개발로 상당 부분 개선되면서 저렴한 가격을 장점으로 한 LFP 배터리 확산세가 중저가 차량들을 중심으로 나타나고 있다.

 

현재 LFP 배터리 셀 추정 가격은 약 $107/kWh 수준으로 NCM622 배터리의 $141/kWh 대비 약 30% 저렴해 가격 차이가 크다. 다만 LFP 배터리의 에너지 밀도는 소재 특성의 한계로 지금의 160Wh/kg 수준에서 크게 개선되기 어려워 추가적인 용량당 판가의 하락 가능성이 제한적일 것으로 보인다. 반면 국내 업체들이 2023~2024 년부터 생산 예정인 차세대 하이-니켈 NCM/NCA 배터리는 원재료 가격 동일 가정 시 $121/kWh 수준까지 낮아지면서 가격차가 다소 좁혀질 것으로 분석된다.

 

 

주요 양극재 종류별 배터리 셀 용량당 판가

 

 

 

3. 이제는 '공정 혁신'이다.

 

배터리 가격을 낮추는 방법에는 두 가지가 있다.

 

첫째, 소재비 절감, 제조 공정 생산성 향상 등을 통해 제조원가를 낮추는 것과

둘째, 새로운 소재 개발로 에너지밀도를 높여 용량당 판가를 낮추는 것이다.

 

핵심 원재료 가격이 타이트한 수급 영향으로 상승세가 이어지고 있기에, 전 세계 배터리 셀 업체들은 에너지밀도를 높이기 위한 '소재 혁신'과 '공정 혁신'에 집중하고 있다.

 

Tesla는 2020년 9월에 열린 배터리 데이에서 신규 기술 및 공정 적용 등을 통해 주행거리와 배터리 가격을 획기적으로 개선시키겠다고 밝혔다. 이를 위해 Tesla는 ① 배터리 셀 대형화 및 공정 개선, ② 건식 전극 및 고속 연속 생산 공정 도입, ③ 실리콘 음극활물질 적용, ④ 양극활물질에서의 하이-니켈 적용 및 공정 간소화, ⑤ Cell-Vehicle Integration을 통한 비용절감을 추진할 것이라 밝혔다.

 

 

 

▼ ⓛ∽⑤ 기술에 대해 자세히 알고 싶으시면 아랫글 참조해보세요

 

[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라 (tistory.com)

[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라

[2차전지] 배터리 양극재 기초 개념, 기술 발전 공부용 필독 보고서 (tistory.com)

[2차전지] 배터리 양극재 기초 개념, 기술 발전 공부용 필독 보고서

 

 

4. 건식 전극 공정이란?

 

앞서 서술한 5 가지 기술 변화 중 1~4번 까지는 충분히 가능할 것으로 예상되지만, 마지막 건식 전극 공정은 에너지밀도 및 출력 저하 등 기술적 난제로 양산 적용이 쉽지 않다고 여겨져 왔다. 

 

현재 모든 배터리 셀 업체들이 사용 중인 습식 공정에서 양/음극재 박막 코팅과 건조 공정은 제조공정 비용에서 약 20%를 차지하며, 장시간 걸리기 때문에 가장 높은 전력량을 소비하며 생산량을 떨어뜨린다. 양극재에 사용되는 유기용매인 NMP의 끓는점이 202도로 높다는 점이 주요 원인이다. 반면, 건식 전극 공정은 용매를 휘발시키는 공정이 필요 없기 때문에 공정 간소화에 따른 비용 절감 및 생산 시간 단축의 효과를 누릴 수 있다.

 

습식에 비해 건식에선 Dry 공정이 생략되어 있다.

 

 

그러나 문제는 양극이다. 업계에 따르면 리튬이온 배터리에 건식 전극 공정 적용 시 습식 전극 공정 대비 에너지밀도와 출력이 떨어진다고 알려져 있다. 그 원인은 아직까지 명확하게 알려진 바는 없지만 양극재 조성에 기술적 난제가 있었을 것으로 추측해볼 수 있다.

 

건식 공정 시 양극재의 경우 양극활물질 전기저항과 양극활물질과 도전재 간 계면 저항이 크게 높아져 전자 이동을 방해하기 때문에 습식 전극 공정 대비 배터리 에너지밀도와 출력이 낮아지고 있다. 이를 해결하기 위해서는 양극활물질 전기저항과 계면 저항을 낮춰야 하는데 Tesla는 전자이동도 특성이 우수한 Single-walled CNT로 NCM/NCA 양극활물질을 코팅해 해결하려 한다.

 

 

▶ 이때 중요한 것은 양극활물질에 Single-walled CNT를 코팅하는 기술과 코팅하기 위해 Single-walled CNT를 얼마나 고농도로 용매에 분산하느냐가 핵심이다. 

 

 

Single-walled CNT로 NCM/NCA 양극활물질 코팅시 저항과 계면 저항 감소

 

 

 

 

5. 건식 공정 양산 적용 시 수혜 받는 국내 기업들

 

Tesla가 건식 전극 공정을 4680 배터리에 적용할 경우 배터리 시장의 큰 지각 변동이 예상된다. 4680의 배터리 가격이 LFP 배터리보다 저렴해질 수 있기 때문이다. 

 

 

LFP 대비 습식/건식 공정의 양극재 종류별 배터리 가격 비교

 

 

이에 중장기적으로 Tesla 향 배터리 셀과 핵심 소재를 공급하는 업체들의 성장성은 더욱 커질 것으로 기대된다. 관련 국내 업체로는 배터리 셀을 공급 중인 솔루스첨단소재, SK 넥실리스, 실리콘 음극재 공급 가능성이 있는 대주전자재료, CNT 도전재와 SWCNT 코팅재 공급 가능성이 있는 나노신소재가 있다.

 

 

 

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아래 표는 국내 주요 이차전지 소재 업체들의 주요 고객사, 캐파 증설 계획을 나타낸 표입니다.

 

 

 

 

 

2차전지_220531_배터리 공정의 지각 변동.pdf

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