[2차전지] 배터리 양극재 기초 개념, 기술 발전 공부용 필독 보고서
'이베스트투자증권_이안나_이차전지_그들이 하고자 하는 일'
리포트 내용 일부를 정리, 작성한 글입니다.
자료는 아래에 첨부해두었습니다.
1. 배터리는 '양극재'가 핵심이다.
리튬이온 배터리의 기본적인 구조는 아래와 같다.
양극재와 음극재가 양쪽에 위치하고, 이 두 극 사이의 전압차인 '전위'가 곧 배터리의 '전압'이 된다. 그리고 '전압의 크기'는 '에너지 밀도의 크기'와 비례한다. '에너지 밀도'는 결국 자동차의 동력을 의미하기 때문에 전기차에 들어가는 배터리에 대한 연구는 '에너지 밀도'를 높이는 방향으로 갈 수밖에 없다.
그렇다면 '에너지 밀도'를 높이려면 어떻게 해야 할까? 앞서 설명한 이론을 거슬러 올라가 보면 에너지 밀도 높이기 → 전압 높이기 → 전위차 확대하기라는 결론이 나온다.
그렇다면 전위차를 어떻게 확대해야 할까? 음극재의 전위를 낮게 하거나 양극재의 전위를 높게 해야 한다. 그러나 음극재의 전위는 특정 V 이하로 낮추기가 힘들다. 따라서, 양극재의 전위를 높이는 방향으로 기술 개발이 이루어져야 한다. 리튬이온 배터리가 등장한 이후 끊임없이 양극재 개발에 대한 이야기만 나온 이유를 이를 통해 알 수 있다. 즉, 리튬이온 배터리를 사용하는 한, 양극재 개발에 대한 이야기만 나올 것이다. 그렇기 때문에 양극재 업체들에 집중하고 있는 것이다.
2. 리튬이온 배터리 양극재 개발 방향
그럼 양극재 개발은 어떻게 진행되고 있을까?
양극재는 앞서 언급되었듯이 배터리 용량 및 에너지 밀도 확대에 가장 중심적인 역할을 한다. 따라서 양극재의 화학조성과 결정구조에 따라 용량과 에너지 밀도가 달라지게 된다.
양극재는 크게 3개의 축으로 화학적 구성을 이루고 있다.
①리튬 : 양-음극을 오가며 전하 용량을 결정하는 역할을 한다. 리튬이 배터리 양극재로 쓰이는 이유는 리튬 원소 자체가 띄고 있는 이온화 경향 때문이다. 그러나 원소 자체로는 불안정성이 크기 때문에 산소와 합쳐 이온 상태로 만든 것이 리튬이온 배터리이다.
②전이금속 : 전지를 충전하게 되면 양극에서 리튬이 빠져나와 음극에 가서 저장된다. 즉, 양극재가 안정적인 결정구조를 갖고 있어도 산화환원 과정을 거치면서 그 구조가 변하게 되는데, 이때 가역적인 산화환원 반응(충방전)이 가능하도록 하는 것이 전이금속이다.
③산화물 : 양극재의 결정구조를 유지해주는 프레임(전체 틀) 역할을 한다. 리튬이온 배터리에서 산화물은 거의 산소(O)가 쓰인다.
초기에 등장해 높은 전위와 높은 용량을 가지고 있어 각광을 받았던 리튬이온 배터리 양극재는 소니(Sony)가 초기에 사용한 'LCO(LiCoO₂)'이다. LCO(LiCoO₂)의 경우, 제조가 쉬워 대량생산이 용이하고 재료 특성상 우수한 수명 특성, 고온 성능을 가지고 있어 IT기기 양극재로 주로 사용되었다. 그러나 원재료 가격이 비싸고 전체 리튬 이온의 약 50%만이 사용되어 이론 용량은 274mAh/g이지만, 실제용량은 약 150mAh/g 정도이다.
즉, LCO(LiCoO₂)가 이론 용량이 높고 안정적이긴 하지만, 실제용량을 늘리기 위해서는 Li을 증가시켜 전하량을 늘리는 방향으로 가야 한다. 이때, Co(코발트)만이 전이금속 역할을 하다 보니 원재료 부담이 점점 커지게 되었다. 이에 Co보다 저렴한 전위 금속을 적용해보기 시작했고 그에 대한 결과로 Li₂NiO₂, Li₂MnO₃ 등이 등장했다.
그러나 결과적으로 현재는 Li₂NiO₂, Li₂MnO₃ 같은 것들이 떨어지는 물성의 이유로 사용이 어려워졌다. 그러나 각각 장점이 두드러져 이를 살려 삼원계 리튬이온 배터리가 등장하게 되었다.
LiCoO₂, Li₂NiO₂, Li₂MnO₃ 이 세 양극재의 장점을 살린 것이 삼원계 양극재 중 NCM(Li-NiCOMn-O₂)이다. Ni(니켈)은 Co와 성질이 꽤 비슷한 대신 가격은 훨씬 저렴하다. 또한, Li의 산화환원 반응에 촉매 역할을 하여 배터리 용량을 높이는데 크게 기여한다. 그리고 Mn(망간)은 전기화학반응에 직접 참여하지는 않지만 충·방전 중 발생 가능한 결정구조 변형을 최대한 억제한다. 문제는 Ni 함량이 증가할수록 에너지 밀도가 높아져 가역 용량은 증가하지만, 높은 반응성으로 다량의 가스가 발생한다. 이로 인해 내부에 전압 불량 문제가 발생하게 된다.
NCM과 함께 각광받고 있는 양극재는 NCA(Li-NiCoAl-O₂)이다. 이는 Ni의 불안정성을 보완하기 위해 일부 Ni를 Co로 치환하고 Al(알루미늄)을 도핑한 양극활 물질이다. NCA는 공정 패턴은 단순하나 에너지, 시간 투입량이 크고, 제어, 관리 수준이 높은 프로세스이다. 또한 초기 투자부담 및 공정관리 비용 추가로 진입 장벽도 높다.
다만, NCM이든, NCA든 현재 에너지 밀도 파악이 중요하다. 현재, 리튬이온 배터리는 LCO를 기본 베이스로 Co의 역할을 도와줄 금속들을 넣는 방향으로 삼원계 양극재가 등장하였다. 그리고 이를 대체할 금속들로 가격, 용량, 안정성 등을 고려했을 때, NCM, NCA 이외에 다른 양극재가 나오기는 힘들다. 그렇기 때문에 이 두 양극재의 실제 용량 즉, 에너지 밀도가 어느 정도까지 도달했는지 살펴보아야 이후 배터리 기업들의 방향성을 예측할 수 있다.
위 표에서 볼 수 있듯이, NCM, NCA 모두 이론 용량에 도달했다. 파나소닉 등 일본 기업들이 리튬이온 배터리를 벗어나 차세대 배터리(전고체, 리튬황) 개발에 박차를 가하는 이유는 리튬이온 배터리는 이제 한계가 있다고 보기 때문이다.
그렇다면 EV 배터리 관련 기업들은 이제부터 무엇을 해야 할까? 답은 '원가절감'이라고 생각한다. 물론 Ni 함량을 더 늘리거나, 음극소재를 다르게 하여 일정 부분 용량을 증가시킬 수는 있다. 그러나 이는 장기적으로 보았을 때, 한계가 있다. 따라서 이후에는 배터리 원가의 60% 이상을 차지하는 원재료에서 원가절감을 시도할 것으로 판단된다.
배터리 원가의 60% 이상을 차지하는 원재료, 그리고 그 안에서 약 40%를 차지하고 있는 것이 양극재이다. 음극재, 분리막, 전해액 등의 경우에는 양극재처럼 가격 변동이 심하지 않기 때문에 양극재 소재 중심으로 볼 필요가 있다. 특히 양극재 개발이 Ni비중 확대로 진행되고 있기 때문에 Ni의 안정적인 공급이 배터리 기업들에게 매우 중요하다. 또한 Ni 함량 증가에 따라 Li의 중요성도 높아지고 있다. Co도 비중이 줄어들고는 있지만, 가격 자체가 비싸기 때문에 수요 - 공급 밸런스에 따라 원가에 Risk로 작용할 수 있다. 따라서 국내 배터리 기업들은 모든 원재료 업체들에 관심을 갖겠지만, 특히 Ni, Li, Co 생산기업들이 그 중심에 서게 될 것이다.
↓ (니켈, 리튬, 코발트의 생산 밸류체인에 대해 더 알아보고 싶다면, 아랫글 참조해보세요)
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3. 배터리 기업 투자 전략
① 1등 기업에 투자한다면? - LG에너지솔루션+ LG에너지솔루션 Supply chain
리튬이온배터리 기술은 NCM, NCA 양극재 중심으로 진행되고 있으며, 글로벌 기업들도 이 두 가지 중심으로 재편되어 있다. 그중, NCM 배터리의 경우, 중국의 CATL과 국내 LG에너지솔루션이 경쟁 중이다. 이 두 기업은 에너지 밀도로 비교해보았을 때, 기술력이 비슷하며, 고객사도 빠르게 확장시켜 나가고 있다.
글로벌 배터리 점유율은 CATL이 자국에 공급하는 물량을 감안하면 사실상 LG에너지솔루션이 가장 높다고 볼 수 있고, 원가 절감을 위한 업체 간의 협력도 꾸준히 하고 있으므로 가장 주목할 만하다.
② 노이즈 적은 안정적 투자를 원한다면? - 삼성SDI + 삼성SDI Supply chain
LG에너지솔루션이 NCM에 주력하는 반면, 삼성SDI는 NCA를 개발하는 노선을 택했다.
구체적으로 LG에너지솔루션과 CATL이 주력하는 것은 NCM(~811)+LMO, 삼성SDI가 주력하는 것은 NCMA(NCM622+NCA → 50:50 블랜딩)다. 삼성SDI가 NCM을 하지 않는 이유는 Ni 함량을 증가시키면서 성능이 올라가는데 그에 따라 가격도 20% 이상 올라가기 때문이다. 파나소닉과 삼성SDI 같은 전자회사는 성능이 아무리 좋아져도 비용이 높아지면 채용을 하지 않는다. 원가에 민감한 것이 전자회사들의 특징이기 때문이다. 반면, 가격보다는 성능을 더 중시하는 것이 화학회 사이다. 이에 LG에너지솔루션(LG화학에서 분할), SK이노베이션 모두 NCM(~811)+LMO를 전략 소재로 채용한 것이다.
따라서 삼성SDI가 주력으로 삼고 있는 양극재의 경우, 중국과의 경쟁이 거의 없어 가격 경쟁 등 노이즈가 상대적으로 적은 편이다. 이에 삼성SDI와 그에 관련된 Supply chain 또한 주목할 필요가 있다.
↓ (각각 배터리 3사의 Supply chain에 대해 알아보고 싶으시면 아랫글 참조해보세요)
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이베스트 투자증권에 이안나 연구원이 작년에 작성한 2차전지 보고서입니다.
양질의 공부할 거리가 매우 많아서 2차전지 투자하시는 분들이라면
꼭 읽어보시길 강력히 추천드립니다. ㅎㅎ