2025년 Si계 음극재 10조 시장 선점, 정부 지원 必

■ 리튬이차전지 시장 2017년 120GWh 급성장

현재 전기차에서 배터리 가격은 차량 제조단가의 40%를 초과하고 있을 정도로 가장 높은 비중을 차지하고 있다.

배터리의 에너지밀도도 점차 상향돼 2020년 이후 주행거리는 500km 이상으로 더욱 늘어날 전망이며, 배터리 업체들은 재료 개발 및 개량, 전극구조, 셀 사이즈 최적화 등의 방법으로 에너지밀도를 높이고 있다.

전기차, ESS 수요 급증으로 리튬이차전지 시장은 2000년 2GWh에서 2017년 120GWh로 급성장했다.

2010년부터 소형전자기기(스마트폰 등)에 SiOx(Si계) 음극재가 사용되면서 점차 중대형전지 수요 제품으로 확산되고 있다. 2017년 기준으로 전기차·버스에는 57%, 이동전자기기 26%, ESS 5%가 사용되고 있다.

전기차는 2025년까지 전체 판매량의 11.3%인 1,214만대가 생산될 것으로 전망되며, 배터리 수요는 2020년 198GWh에서 2025년 615GWh로 확대될 전망이다.

시장규모는 2020년 34조원에서 2025년 81조원이 예상된다.

■ 양극재는 NCM이 업계표준으로 자리 잡아가는 중

양극재는 NCM이 업계표준으로 자리 잡아가는 중이다. 현재 사용되는 NCM 622는 니켈60%, 코발트20%, 망간20%로 구성돼 있다.

런던금속거래소에 따르면, 코발트는 6월 기준 현물가격이 톤당 2만9,000달러로 니켈의 2.5배, 망간에 25배다.

이에 코발트가격이 배터리 가격 저감에 발목을 잡는 모양세이며, 고가의 코발트를 적게 쓰기위해, 니켈함량을 올려 에너지밀도와 가격저감 두 마리 토끼를 노리고 있다.

테슬라는 지난 6월8일 ‘2019년 임팩트 보고서’에서 자사 전기차 배터리에 코발트를 완전히 제거하고자 하는 ‘코발트 프리’를 선언 한 바 있다.

결국 에너지밀도를 올리면서 가격까지 잡아야 전기차의 대중화가 가능할 것으로 본다.

■ Si계 음극활물질 2025년 이후 10% 탑재 전망

이차전지 음극재에서 구상화 천연흑연은 에너지밀도가 낮지만 ㎏당 가격이 7∼8달러 수준인 가격적 메리트로 인해 꾸준히 활용되고 있다.

지구상 매장 광물 가운데 가장 많고 저렴한 것은 실리콘이며 천연흑연에 비해서는 고가이나 ㎏당 20달러로 인조흑연과는 비등한 정도다.

1회 충전에 500㎞ 이상 주행하는 3세대 전기차에서 요구하는 배터리 에너지밀도를 충족하기 위해서는, 천연흑연 음극재에 Si계 음극활물질을 첨가하려는 동향이 뚜렷하고 탑재량도 점차 늘어나는 추세다. 현재 5%로 추정되는데 2025년 이후 10% 탑재가 예상된다.

Si계 음극재는 2010년대 초부터 스마트폰 등 소형 디바이스에는 이미 사용되고 있었다. 일부 전기차에 해당 음극재의 탑재소식도 전해지고 있다.

■ Si계 음극활물질, 흑연에 비해 최대 10배 용량

Si계 음극활물질은 흑연에 비해 최소 3배에서 최대 10배에 해당하는 높은 이론용량 구현이 가능하다.

다만 용량은 높으나 부풀어 오르는 현상(swelling)이 문제점으로 지적돼 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 금속계, 산화물계, 탄소계 등이 개발됐다.

이들 모두 3가지 음극활 물질 나노크기(수 nm∼수백 nm)의 실리콘과 그들을 포함하는 Matrix(금속, 산화물, 탄소)에 따라 다르게 명명되고 있다.

탄소소재(그래핀, CNT, 소프트카본 등)와 복합화하고 내부에 공극을 형성하는 등으로 부피팽창을 감소시키고 수명을 향상시키려는 연구개발도 지속되고 있다.

최종형태는 외부에 탄소 혹은 세라믹으로 코팅한 것이다.

■ Si계 음극활물질 경쟁력 확보 必

기존에는 Si계 음극활물질은 천연흑연 혹은 인조흑연 음극재 제조사에서 사이드로 개발하는 추세였다.

반면에 최근에는 일본 S사, O사 시장에 진입한 상태이며, 중국에 다양한 기업들이 참여소식을 알리고 있다.

국내는 전기전자소재 기업이 개발을 주도하고 있으나, 일본 선점기업의 광범위한 지재권과 중국 정부지원에 힘입은 물량공세가 예상되고 있어 경쟁력(기술, 경제성) 확보가 필요해 보인다.

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■ 진입장벽 낮아 중기 시장진입 가능성 높아

Si계 음극활물질은 NCM 양극재, 천연/인조흑연 음극재와는 다르게 진입장벽(막대한 시설투자비)이 비교적 낮은 장점이 있어서, 전기전자소재 기업(중소기업 포함)이 시장 진입 할 수 있는 분야다.

한국은 반도체, 디스플레이 소재, 장비분야를 통해 얻은 기술력을 강점으로 갖고 있어, 탄소소재와 Si계 음극활물질은 가격과 성능 모두 만족할 만한 성과를 낼 수 있을 것으로 본다.

또한 리튬이차전지 음극재 사용량은 연평균 33.7% 성장률을 보이며, 낮은 용량으로 EVs 주행거리 향상에 제약이 있는 흑연을 대체할 규소계 음극재는 동기간 51.2%의 빠른 성장률을 나타내고, 금액으로 환산 시 2017년 약 3,000억원, 2025년 약 10조원으로 예상된다.

이에 차세대 먹거리인 Si계 음극활물질 분야에 정부의 장기적인 육성이 필요하다.

리튬이차전지 주요 제조국인 우리나라는 일본과 중국이 과점해 국산화율이 5% 미만에 머물고 있는 음극소재산업 경쟁력 확보를 위해 국가적 지원이 절실히 필요하다.

또한 이차전지 시장에 빠르게 침투하고 있는 중국의 흑연 전략 소재화 및 일본의 구상흑연 수출제한 물품등록 등 국내의 이차전지 산업에 큰 위기의 요인이 될 수 있다.

현재 중국 흑연 및 배터리 제조사들도 실리콘계 음극재 시장에 뛰어들고 있으며, 향후 중국기업 특유의 저가, 물량공세가 예상되고 있으며, 월등한 ‘기술력과 품질’과 더불어 ‘가격경쟁력’을 확보하지 못한다면 고성능 음극재 시장에서 도태될 수밖에 없다.

2011년 일본 H사에서는 일본 S사의 SiOx 음극재 일부를 함유한 고용량 전지의 사용화에 성공해 각 전지메이커에서 SiOx 음극재의 채용에 주시하고 있으나 제조공정의 복잡으로 전기차에 적용 시 가격경쟁력이 낮은 것으로 판단되고 있으며, 중국의 B사는 나노 Si와 흑연을 혼합해 사용하고 있으나 실제 전지 적용 시 용량 열화 문제로 극미량을 사용해 용량 상승효과가 미미한 것으로 분석되고 있다.

■ 원광대, 실리콘 산화물계 음극재 개발 총력

원광대학교는 최근 실리콘 산화물계 음극재 개발에 적극 나서고 있다.

이번 연구를 통해 제품가격 상승분을 20%이하로 제한하고 10%이상 탑재율을 향상시킬 수 있다면, 중국 저가 제품과 확실한 기술적 차별성 확보가 가능하다고 보고 있다.

리튬이차전지 양극재는 소재 개발이 적극적으로 이루어져(중기거점과제 지원, high Ni(e.g. NCM811)계로 개발 한계치 근접) 고용량의 소재가 적용되고 있으나, 음극재는 상용화 된지 30년이 지났지만 흑연 소재가 주로 사용되고 있어 더딘 기술개발과 성능의 한계로 합재비 또는 신소재 개발이 요구되고 있다.

규소계 음극재는 이론용량(3,680mAh/g)이 흑연(372mAh/g)에 비해 매우 높으나 용량유지율이 낮아 규소 산화물계(SiOx) 소재가 대안으로 주목받고 있다.

추가적으로, 세라믹에 가까운 실리콘 산화물의 극히 낮은 전자전도성에 의해 충전속도가 느린 단점과 표면 부반응에 의한 전해액 고갈 등의 문제를 고전도성 탄소 코팅 기술개발을 통해 해결할 계획이다.

기존 전지 제조업체는 소재 변경 시 슬러리 조성, 극판 제조 공정조건을 다시 최적화해야 하며, 경우에 따라 설비 변경이 필요할 수 있어 소재업체의 진입장벽이 높다.

따라서 음극 극판의 제조기술(공정 및 조성)을 개발해 고객사에 제공함으로써, 기존 전기차용 배터리 제조업체의 소재 변경에 따른 공정탐색 부담을 해소시킬 수 있을 것으로 보고 있다.

이번 연구를 통해 제작된 수십 kg단위 시제품을 수요기업의 파일럿 규모 테스트 베드 평가에서 실시함으로써 제품 신뢰성과 제품판로를 구축할 수 있을 것으로 생각된다.

최적 전해액 조성과, 바인더를 탐색을 통해 현재 흑연 음극재 내 3% 내외로 적용하고 있는 SiOx계 음극재의 탑재량을 10% 이상으로 확대할 수 있고, 이를 통해 EVs의 주행거리를 획기적으로 향상시켜 EVs 시장의 개화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.