리튬이온전지 양극재의 특징과 국내 양극재 기업 및 IRA에 따른 사업전략 방향

1. 양극재의 특징

 

양극재는 리튬이온전지 4가지 핵심구성(양극재, 음극재, 분리막, 전해질) 중 가장 큰 비중을 차지합니다.

(배터리 원가의 약 40%를 차지한다.) 또한 어떤 소재를 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정돼요.리튬의 공급원으로써, 전지 충/방전 시 양극재의 리튬이온이 삽입/탈리됩니다. (intercalation) 리튬을 많이 포함한 양극재를 사용할수록 용량이 커지게 되고, 음극재와 양극재의 전위 포텐셜 차이가 크면 전압이 커집니다.

양극재/음극재 전위 포텐셜 차이에 의한 전압의 결정

> 리튬이온배터리 제조 원가의 40% 이상을 차지하는 핵심 소재임.

> 리튬의 공급원으로 배터리의 용량(Capacity) 와 평균 작동 전압을 결정

Cell Energy = 용량 * 전압 

용량 = 전류 * 시간

여기서 전압의 양극재와 음극재의 전위 포텐셜 차이로 얻어지는 것입니다.

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2. 양극재에 쓰이는 금속 원소의 특성

배터리의 양극에는 리튬산화물의 형태로 리튬이 존재합니다. 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 합니다. 여기에 도전제, 바인더가 결합된 합제를 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 구성됩니다.

 

> 리튬 단독으로는 양극 활물질로 쓰이지 않는 이유

리튬이 물, 공기와도 반응해 이동과 보관이 쉽지 않기 때문입니다.

따라서, 리튬이온배터리 활물질로 순수 리튬이 아닌 ‘리튬금속산화물’이 사용됩니다.

산화물일 때 리튬은 산소와 결합돼 있기에 활물질로 사용하기 비교적 쉽거든요.

 

리튬금속산화물은 어떤 금속을 쓰느냐에 따라 특성이 달라져요.

△니켈(Ni)은 고용량 △망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성 △알루미늄(Al)은 출력을 높이는 역할을 해요. 

출처 - 포스코케미칼

양극재는 크게 세 가지 성분의 조합으로 만들어져요. 기본형은 LCO(리튬·코발트·옥사이드)다. LCO는 소형 이차전지로, 단가도 높고, 에너지 밀도가 낮아 전기차용으로는 적합하지 않습니다. 전기차용에는 NCM(니켈·코발트·망간)과 NCA(니켈·코발트·알루미늄)이 주로 사용됩니다.

출처-포스코켕미칼

2차전지는 지난 120여 년 동안 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 형태로 일상생활에서 유용하게 쓰이고 있었다. 대표적인 2차전지로 꼽히는 ‘리튬이온전지’(LCO)는 휴대용 전자기기 사용자 수가 늘면서 잦은 충전 없이 오래 쓸 수 있는 배터리를 요구하는 목소리가 커지자 개발된 것으로, 1990년 일본 SONY사가 최초로 상용화한 이래로 현재까지도 그 원천기술을 근간으로 삼고 있다.

 

리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 자랑하고, 메모리 효과*가 없어 수명이 길다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다.

 

LCO의 장단점은 명확했어요. 공기와 물에 반응하지 않는 코발트에 반대로 공기·물에 쉽게 반응하는 리튬을 적절히 섞으면 부식과 폭발의 위험을 제어하기 용이했어요. 그래서 스마트폰을 포함한 많은 기기에 사용됐죠.

하지만 코발트의 유동적 가격과 불안정한 수급이 리스크로 지적됐어요. 용량과 출력을 더 높이고 안전성을 개선해 전동공구, 전기자동차 등으로 용도를 확장하기 위해선 코발트의 비중을 줄이고 다른 소재로 대체하는 것이 필요했습니다.

 

그렇게 나오게 된 것이 LMO·LFP·NCM·NCA입니다.

1) LMO·LFP는 기존의 코발트를 다른 물질로 아예 대체한 것

2) NCM·NCA는 타 활물질을 추가해 코발트 함량을 줄이는 방향으로 발전한 것이 핵심입니다.

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1) LCO의 대체재 : LMO, LFP

LMO는 LCO에서 코발트를 망간으로 대체한 건데, LMO는 가격이 안정적인 반면 용량은 LCO를 따라가지 못한다고 해요. 망간이 산화·환원 반응에 직접 관여하지 않고 리튬이온이 드나드는 것을 제한하기 때문이죠. 고온에서 작동이 어려운 단점도 있어요.

 

최근 대세로 떠오르는 LFP 장단점도 LMO와 비슷합니다. 주요 소재인 철(Fe)과 인(P)이 값싸고 풍부한 자원이기 때문이에요. 화학구조상 매우 안정적이라 발화·폭발의 위험을 쉽게 낮출 수 있기 때문에 기술적 난이도도 낮은 편이라고 해요.

하지만 LFP는 평균 전압이 LCO보다 0.5볼트 이상 낮아 에너지 밀도가 낮습니다. 원소재 영향으로 무게도 많이 나가고요.

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2) LCO 대체재 : NCM, NCA 삼원계 배터리

LCO의 코발트 비중을 줄이는 과정서 ‘3개 물질을 조합한 양극 활물질’을 활용했기에 삼원계라 불리게 됐습니다.

Ni : 코발트를 대체하면서 에너지 용량은 유지할 수 있는 금속으로 채택된 것은 바로 니켈입니다.

니켈은 지구상에 많이 존재하는 단단한 은백색의 금속으로 연성이 좋고

코발트와 성질이 비슷하면서도 생산량이 많고 가격도 저렴합니다. 

 

NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 배터리예요. 코발트보다 가격이 저렴한 니켈 함량을 극대화해 코발트 함량을 줄이는 방향으로 발전해 왔습니다. 가장 기본적인 NCM 비율은 니켈·코발트·망간이 1:1:1로 구성됩니다. 

 

NCA는 LCO에 니켈과 알루미늄을 추가한 활물질로 니켈 비중을 늘리면서 에너지 출력을 향상했어요. NCM에서 망간 대신 알루미늄을 넣었다고 이해하면 쉽죠. 하지만 NCA는 NCM 대비 상대적으로 높은 기술력이 요구돼 생산 난이도가 높다고 해요.

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3. 양극재 시장 성장성과 국내 주요 기업 및 IRA 인플레이션 감축법

니켈·코발트·망간(NCM), 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 등 삼원계 배터리 양극재 업체 중 에코프로비엠이 7.5만톤(t)을 생산, 세계 1위를 차지했다. 이어 LG화학(6.1만t)이 2위를 차지했다. 삼성SDI(3.5만t)와 포스코케미칼(2.97만t), 엘엔에프(2.55만t)은 각각 8·9·10위를 차지했다.

 

1) 에코프로비엠

국내 1위이자 세계 2위 양극재 생산기업인 에코프로비엠은 지난해 연간 양극재 생산능력이 18만t으로 2021년 7만8000t에서 2배 이상 늘었다. 에코프로비엠은 2026년까지 북미에서 18만t 규모의 생산 능력을 갖춘다는 계획이다. 미국 재무부가 3월 인플레이션 감축법(IRA) 개정안을 발표하면 공장 설립 등 구체적인 북미 투자 계획을 발표한다는 방침이다.

 

2) LG화학

양극재 사업성을 눈 여겨본 한국 기업들이 공장 증설 등 생산력 제고에 나서고 있다. LG화학은 올해 양극재 출하량을 지난해 대비 50% 늘린다는 목표를 내놨다. LG화학은 기존 9만t 규모에서 2025년까지 양극재 생산능력을 34만t으로 끌어올릴 계획이다. LG화학은 지난해 미국 테네시주에 연간 12만t의 하이니켈 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재 생산 공장을 짓겠다는 계획을 내놓은 바 있다.

 

LG화학 자회사인 LG에너지솔루션을 제외한 LG화학의 지난해 매출은 30조9000억원이다. LG에너지솔루션에 양극재 등 전지소재를 공급하는 LG화학의 첨단소재부문이 효자 역할을 했다. 첨단소재부문 매출이 7조9793억원으로 전년 동기 대비 67% 증가했다. 올해는 전지 소재 등 첨단 소재 사업에서 매출 10조원에 도전한다.

 

3) 엘앤에프

엘앤에프는 양극재 수요 증가에 대응하기 위해 합작공장과 단독공장 설립을 모두 추진하고 있다. 엘엔에프는 현재 13만t인 생산규모를 국내 공장 증설을 통해 2024년까지 7만t을 추가하고, 올해 하반기 중 미국·유럽 진출 계획을 공개할 예정이다.

 

4) 포스코케미칼

포스코케미칼은 2030년에 61만t까지 생산 능력을 확대한다는 계획이다. 이를 위해 포스코케미칼은 경북 포항에 양극재 공장을 2025년까지 6만t 규모로 건설할 계획이다. 해외 공장 증설도 진행 중이다. 포스코케미칼은 제너럴모터스(GM)와 양극재 합작사 '얼티엄캠'을 설립하고, 캐나다 퀘벡주에 연 3만t 규모의 양극재 공장을 건설 중이다.

 

포스코케미칼 관계자는 "2012년 양극재 사업을 시작한 이후 전기차 시장의 빠른 성장과 세분화되는 고객의 요구에 발맞춰 제품 다변화를 위한 연구 개발을 추진한 결과물"이라며 "현재 다섯 종의 제품군을 보유하고 있는 데다 보급형 전기차용 제품인 LFP(리튬인산철) 양극재도 개발 하고 있어 시장 상황에 따라 제품군은 더 다양화될 것으로 기대된다"고 말했다.

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당초 전기차용 배터리는 니켈이 60% 함량된 NCM(니켈·코발트·망간)622 제품이 대세였다. 하지만 비싼 가격으로 인한 코발트 프리와 고객사의 배터리 출력 향상 요구로 니켈 80% 함량에 이르는 하이니켈 양극재가 주력이 됐다. 이에 따라 기존 영업이익률이 5% 수준이었던 양극재 업체들은 7~10%에 이르는 수익성을 구가하기도 했다.

양극재 업계 내 경쟁 구도가 더욱 치열해질 것이다. (포스코케미칼, 코스모신소재의 시장 진출)

현재 전기차 배터리 시장은 LFP(경차, 소형 세단)→NCM622(전용 전기차)→NCM8(롱레인지 모델) 순으로 트림별 채택 제품이 세분화됐다. 이런 상황에서 국내 기업들은 고부가제품인 NCM8 시리즈 이상 제품 생산을 늘리고 있다.

고객사 쟁탈전의 본격적인 시작은 포스코케미칼이 삼성SDI 공급망에 진입하면서다. 당초 에코프로비엠(삼성SDI/SK온), 엘앤에프(LG에너지솔루션 하이니켈 제품/SK온 범용 제품), 포스코케미칼(LG에너지솔루션 범용 제품)으로 구분이 명확했던 공급망의 틀이 깨진 것이다.

또 코스모신소재 등이 NCM8 시리즈를 LG에너지솔루션에 공급하는 계획을 타진하고 있어, 국내 배터리 소재업계 간 고객사 확보 경쟁이 심화될 것으로 관측된다.

 

cf) 니켈 함량 높은 양극재 용량 증대라는 장점만 있을까???

일반적으로 양극재 내에 니켈 함량이 높을수록 배터리 용량 증대가 쉽다고 알려져 있다.

하지만 니켈 함량이 높으면 안전성이 떨어지기 때문에 니켈 함량을 높이면서 안정성을 얻는 것 또한 중요하다.

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IRA 인플레이션 감축 법안

'무조건 투자'에서 '신중론'으로…3월 IRA 발표에 시선집중

업계가 올해 상반기 주목하고 있는 요소는 3월에 상세 내용이 발표될 미국 인플레이션 감축 법안(IRA)의 향방이다. 지난해 양극재 업체들은 전기차 세제 혜택을 받기 위한 IRA 배터리 핵심 광물 충족 요건 발효로 미국 현지 투자가 불가피했다. 그러다 12월 말 백서 형태의 IRA 규정에서 양극재 조달 요건이 대폭 완화되며 투자 부담이 크게 줄었다.

구체적으로 8월 발효 당시 IRA를 보면, 전기차 세제 혜택을 받기 위해서는 배터리 핵심 광물인 리튬, 코발트, 니켈 등을 북미나 미국 자유무역협정(FTA) 체결국에서 40% 이상을 수급해야 했다. 게다가 40%의 비율은 해마다 일정 비율씩 상승하는 터라, 리튬과 니켈 등 핵심 광물을 중국을 제외한 국가에서 안정적으로 수급하는 것이 최우선 과제였다.

하지만 12월 말 발표로 양극재가 핵심 광물로 규정되면서 양극재를 북미나 미국 FTA 체결국에서 일정 비율 이상 수급하는 것으로 완화됐다. 여기에 북미 현지에서의 부가가치 창출 규모가 50% 이상을 넘으면 되는 조건이 붙으면서 원료 채굴·가공 및 수급 방안, 전구체 조달 등을 고려해야 했던 업계의 부담이 크게 줄어든 것이다.

이에 따라 무조건적인 북미 진출을 타진하던 양극재업계 분위기도 바뀌었다. 고객사 요청이 많은 터라 북미 투자 결정은 그대로 진행하지만, 설비투자 규모는 낮추는 방향으로 추진한다.

한 배터리 업계 관계자는 "미국 내 물가상승(인플레이션)으로 인건비, 건축비용 등이 대폭 늘어 투자 대비 수익성이 불확실하고, IRA의 장기적인 법안 효용성에 의구심이 남아 있어 양극재 업체들이 선뜻 미국에 대규모 투자를 집행하기는 어렵다"면서 "원료 가격에 영향을 많이 받고 이익률이 낮은 양극재 산업 특성상, 최소한의 수익률을 보장받는 선에서 투자를 진행하려 할 것"이라고 설명했다.

그러면서 "고객사 요청이 많아 현지 투자는 그대로 진행하겠지만, FTA 체결국인 우리나라 내 생산량을 높이거나 일부 공정을 제외한 방향의 현지 투자로 비용을 줄일 것으로 본다고 덧붙였다.

실제로 포스코케미칼은 지난해 4분기 컨퍼런스콜에서 해외 사업장 진출 요건으로 영업이익률 7% 보장을 내걸었다. 기존에 설립한 제너럴모터스(GM)와의 합작법인 '얼티엄 캠'의 투자는 그대로 지속하되, 추가 투자는 이같은 방침을 유지하겠다는 전략이다.

엘앤에프도 이와 비슷한 입장을 내놨다. 미국 레드우드 머티리얼즈와의 합작법인을 포함한 현지 투자 계획은 계속하되, 비용을 줄이는 방향으로 추진하겠다는 설명이다. 비용 절감 방안으로는 일부 생산 라인만을 이식하는 형태의 현지 투자 등이 거론된다.

엘앤에프 관계자는 4분기 컨퍼런스콜에서 비용 절감과 관련해 "지난해 연말처럼 전기차향 수요가 많이 빠지는 순간이 오면 (양극재 업계의) 고정비 부담 등에 대한 리스크가 확대될 수 있다"며 "나중에는 양극재 공급업체끼리 가격 출혈 경쟁에 들어갈 수 있어, 원가 경쟁력이 없는 업체가 탈락하는 구조가 될 수 있다"고 강조했다.