(리포트 뜯어보기) 이차전지 - 수요와의 전쟁 : 배터리 전성시대

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안녕하세요. 케이입니다.

방문해 주셔서 감사합니다.😊

 

그동안 뜨겁게 달구었던 이차전지 섹터가 한풀 사그라든 느낌입니다. 현재 진행 상황을 짚어보며 관련 산업을 이해하는데 도움이 되셨으면 합니다.

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Ⅰ. 국내 배터리 산업 성장 가능성은 여전히 크다

전기차 시장 성장의 방향성은 명확하다
올 들어 국내 배터리 셀, 소재 업종의 주가는 ① 미국채 금리 상승, ② 배터리 화재건으로 인한 일회성 충당금 발생, ③ LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션 ITC 소송 분쟁, ④ Volkswagen ‘Power day’ 발(發) 완성차 업체들의 배터리 수직계열화 우려 등으로 인해 큰 폭의 조정이 발생했다. 그러나 이에 대한 불확실성은 현주가에 대부분 선반영 되었으며 하반기에는 대부분 해소될 것으로 판단된다. 국내 이차전지 업종의 가장 큰 우려였던 LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션의 ITC 특허분쟁은 전격 합의에 이르면서 완전 해소됐다. 또한 일부 화재건에 대한 일회성 충당금도 일단락되었다. 향후 전기차 시장의 가파른 성장성에는 의심할 여지가 없다. 따라서 배터리 셀, 소재 업체들의 중장기적인 주가 상승 여력이 여전히 크다고 볼 수 있으며 지금이 주식 비중 확대를 위한 매력적인 구간일 수 있다.

 

배터리 화재건으로 인한 일회성 충당금
현대자동차와 엘지(LG)화학이 지난해 역대 최대 규모의 충당금을 쌓았다. 전체 매출 대비 충당금의 비중도 늘었다. 전기차 사업의 비중이 커지면서 품질 비용도 빠르게 증가하는 모양새다. 2021년 3월 18일 금융감독원 전자공시시스템을 보면, 현대자동차는 지난해 5조1702억원의 판매보증 충당부채를 설정했다. 같은 해 엘지화학의 판매보증 충당부채 전입액은 9424억원이다. 두 기업 모두 사상 최대 규모다. 매출보다 충당금이 더 빨리 증가했다는 점도 눈에 띈다. 엘지화학은 매출이 전년 대비 9.9% 증가하는 동안 판매보증 충당부채는 44.4% 불었다. 현대차의 경우 매출은 0.02% 줄어든 반면 판매보증 충당부채는 108.1% 늘었다.

두 기업 모두 지난해 겪은 대규모 리콜의 영향이 컸다. 현대차는 세타2 엔진 2조1352억원, 전기차 리콜 4255억원 등 몸집이 큰 충당금이 많았다. 엘지화학의 자회사 엘지에너지솔루션도 현대차에 지급할 리콜 비용으로 약 6700억원의 충당금을 쌓은 것으로 알려졌다. 이런 일회성 금액 외에 장기적인 변화의 조짐도 엿보인다. 엘지화학의 경우 에너지저장장치(ESS) 화재 사태로 대규모 충당금을 쌓았던 2019년(6525억원)에 견줘서도 규모가 크게 증가했다. 현대차도 마찬가지다. 세타2 엔진과 전기차 리콜 관련 충당금을 빼고 봐도 전년에 비해 소폭 늘었다.

출처: 한겨레

LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션 ITC 소송 분쟁
LG에너지솔루션과 SK이노베이션이 2021년 4월 12일 미국 국제무역위원회(ITC)에서 진행되고 있는 배터리 분쟁을 모두 종식하기로 합의했다고 밝혔다. 지난 2019년 4월부터 진행된 모든 소송절차가 마무리됐다. 양사 합의금은 2조원이다. SK이노베이션이 현금으로 1조원, 로열티로 1조원을 각각 합의된 방법으로 LG에너지솔루션에 지급한다. 관련한 국내외 쟁송을 모두 취하기로 했다. 향후 10년간 추가 소송도 하지 않기로 했다.

LG에너지솔루션 김종현사장과 SK이노베이션 김준 사장은 "한미 양국 전기차 배터리 산업의 발전을 위해 건전한 경쟁과 우호적인 협력을 하기로 했다"며 "특히 미국 바이든 정부가 추진하고 있는 배터리 공급망 강화 및 이를 통한 친환경 정책에 공동으로 노력하기로 했다"고 밝혔다. 또 "합의를 위해 많은 노력을 기울여 주신 한국과 미국 정부 관계자들에게 감사 드린다"고 덧붙였다. 다만 공동 입장문과 달리 양사 추가 메시지에는 온도차가 감지됐다. 특히 양사 모두 포드와 폭스바겐이라는 공통된 고객사를 언급해 향후 배터리 수주전에서 치열한 경쟁이 예상된다.

LG에너지솔루션은 "공정경쟁과 상생을 지키려는 당사의 의지가 반영됐다"며 "배터리 관련 지식재산권이 인정받았다는 데 큰 의미가 있다"고 자평했다. 또 "폭스바겐과 포드를 포함한 주요 고객사들이 글로벌 시장에서 안정적으로 배터리를 공급받을 수 있게 됐다"고 했다. SK이노베이션은 "미국 정부가 추진하는 친환경 정책, 조지아 경제의 성장과 일자리 창출에 더 큰 책임감을 갖게 됐다"며 "포드, 폭스바겐 등 고객사들의 변함 없는 믿음과 지지에 적극 부응해 앞으로 더 큰 파트너십으로 발전해 갈 수 있는 계기를 만들게 된 점 매우 기쁘게 생각한다"고 덧붙였다. 양사 배터리 분쟁은 지난 2019년 4월 LG에너지솔루션(당시 LG화학)이 ITC와 미국 델라웨어 지방법원에 SK이노베이션을 영업비밀 침해로 제소하면서 시작됐다. SK이노베이션으로 이직한 LG에너지솔루션 직원들이 영업비밀을 빼갔고 폭스바겐 전기차 배터리 물량을 대거 따낸 배경이 됐다는 게 이유다.

출처: 디일렉

수직계열화 (Vertical Integration, 수직적 통합)
미시경제학과 경영 분야에서 한 회사의 공급 사슬이 회사 소유가 되는 것을 말한다. 일반적으로 공급 사슬의 각 구성체는 각기 다른 제품이나 (시장에 특화된) 용역을 생산하며 제품은 공통의 요구를 충족하기 위해 병합된다. 이 용어는 수평적 통합과는 반대되는 표현이다.

 

전세계 주요 각국 정부들은 COVID-19 사태 이후 경기부양 대책의 일환으로 그린뉴딜 기조를 강조하며 전기차 시장 확대를 위한 지원 정책 전략을 더욱 강화 중이다. 독일과 프랑스 등 유럽의 주요 국가에서 전기차에 대한 보조금을 3 천유로에서 6 천~9 천 유로로 2 배 이상 상향 조정했고, 업체간 경쟁을 유도하고 있다. 이에 따라 2020 년 유럽의 전기차(BEV+PHEV) 판매량은 전년 대비 131% 증가한 127 만대로 중국(120 만대)을 넘어서며 전 세계 전기차 시장을 견인하였다. 지금까지 전기차 판매가 상당히 부진했던 미국도 바이든 행정부 출범 이후 친환경정책의 윤곽이 드러나고 있다. 최근 발표한 2 조 달러의 경기 부양책의 약 35%가 전기차 관련 정책으로 결정된 것이다. 이에 따라 전기차 구매 시 보조금(기존 7.5 천달러) 상향 가능성이 확대되고 있다. 미국 내 지역별 상황에 따라 보조금이 천차만별인 것을 1 만달러로 통일하고 차량 구매시 소비자에게 직접적인 혜택을 제공한다는 방침이다. 중국도 2025 년 전체 차량 판매에서 친환경차의 비중이 20%가 되도록 할 계획이다.

 

그린뉴딜 (Green New Deal)
친환경 신재생에너지 산업 인프라를 구축하고 관련 산업을 육성함으로써, 에너지 구조를 전면적으로 조정하여 고용과 노동까지 아우르는 혁신을 가져오자는 아이디어로 요약할 수 있다. 친환경 에너지 산업으로의 이행을 기반으로 경제 전반에 새로운 비전을 제시한다는 의미다. 구체적으로는 재생에너지와 자원효율성 향상을 통해 사회적, 경제적 개혁을 추진한다는 것이다.

그린뉴딜은 각국에서 현재의 불확실한 경제 상황을 헤쳐 나가는 정책으로 큰 주목을 받고 있다. 2019년 미국에서는 그린뉴딜 결의안이 하원을 통과했고 유럽연합 집행위원회는 그린뉴딜의 핵심 개념을 ‘유럽 그린 딜’ 구상에 담아 공식 발표한 바 있다. 특히 COVID-19로 인해 침체된 경제를 되살리면서 지속가능한 경제체제로 전환하자는 구상에 따라 각국이 그린뉴딜을 국가적 차원의 정책으로 추진하고 있다.

BEV (battery electric vehicle, 배터리식 전기자동차)
한국에서는 일반적으로 "전기자동차"라고 부르며, 전기 배터리와 전기 모터로 추진력을 얻는 자동차를 말한다.

PHEV (plug-in hybrid electric vehicle, 플러그인 하이브리드 전기차)
외부 전력에 연결함으로써, 또 온보드 엔진과 발전기를 통해서 배터리의 재충전이 가능한 하이브리드 차량이다. 대부분의 PHEV들은 승용차이지만 PHEV 버전의 상용차와 밴(van), 다용도 트럭, 버스, 기차, 오토바이, 스쿠터, 군용 차량도 있다.

당사는 2050 년까지 탄소중립을 선언한 많은 국가들이 초기에 인센티브를 지원하여 내연기관의 전동화(Electrification)를 유도하고, 이후엔 다양한 패널티를 부과해 강하게 규제할 계획이라는 점을 고려할 때 2025 년 전 세계 전기차 판매량이 약 1,690 만대에 달할 것으로 전망한다(<그림 1>참조). 향후 환경 규제안을 충족시키기 위한 완성차 업체들의 전기차 비중 확대 움직임이 본격화될 경우 전세계 전기차 시장 성장의 기울기는 지금의 예상보다 더욱 가팔라질 수 있다. 또한 전기차 시장의 가파른 성장은 이차전지 수요의 급증과 관련 업체들의 추가적인 주가 상승을 이끌 것으로 판단된다.

 

탄소 중립 (carbon neutrality)
개인이나 회사, 단체가 이산화탄소를 배출한 만큼 이산화 탄소를 흡수하는 대책을 세워 이산화 탄소의 실질적인 배출량을 '0 (zero)'으로 만든다는 개념이다. 탄소 중립화(炭素中立化)와 순 배출 영점화(純排出零點化, net zero), 탄소 제로(carbon zero)라고도 한다. 온실가스 배출량을 계산하고 배출량 만큼을 상쇄하기 위해 나무를 심거나 석탄, 화력 발전소를 대체할 에너지 시설에 투자하는 등의 활동을 통해 이산화 탄소 배출량을 상쇄하는 방식을 말한다. 기후 중립(climate-neutral)은 기후 변화의 주요 원인인 이산화탄소뿐만 아니라 다른 온실가스에 대한 규제까지도 포함하는, 탄소중립보다 포괄적인 개념이다.

 

1st Tier 완성차 업체들은 배터리 수직계열화를 준비 중
최근 주요 1st Tier 완성차 업체들은 전기차의 핵심 부품 중 하나인 배터리를 수직계열화 하려는 적극적인 움직임을 보이고 있다. 특히 지난 3 월 15 일 Volkswagen 이 ‘Power day’를 통해 배터리 수직계열화 계획을 발표한 이후 국내 배터리 셀, 소재 업체들에 대한 우려의 시각이 더욱 커졌다. 전세계 완성차 업체들 중 배터리 수직계열화를 준비 중인 곳은 현재 GM(미), Tesla(미), Volkswagen(독), Stellantis 그룹(유), Toyota(일)로 총 5 곳이다(<그림 7>참조). 

배터리 내재화 자체가 사업성이 크다고 보긴 어렵다. 그럼에도 불구하고 주요 완성차 업체들이 배터리를 수직계열화 하려는 이유는 첫째, 안정적인 부품 조달, 둘째, 자사 전기차 플랫폼에 최적화된 배터리를 하나의 형태로 규격화함으로써 규모의 경제를 확보해 전기차 제조원가에서 약 40% 비중을 차지하는 배터리의 가격 부담을 낮추기 위한 목적으로 볼 수 있다(<그림 8>참조). 전 세계 주요 자동차 시장에서 전기차 보조금은 2023 년을 기점으로 점진적으로 축소되거나 중단될 가능성이 높다. 이후부터 전기차는 보조금 지급이 없는 상태에서의 수익성 창출이 요구된다. 

물론 주요 배터리 업체들은 향후 2~3 년간 차세대 소재(High-nickel, High-Mn 양극재) 적용과 공정 개선을 통해 빠르게 배터리 가격을 빠르게 낮춰갈 것으로 전망된다(<그림 9>참조). 그러나 경쟁사 대비 전기차 제조원가를 더욱 하락시키기 위해 일부 완성차 업체들은 배터리 셀 자체생산 및 합작법인을 통한 수직계열화에 공격적인 투자가 진행 중이다.

 

High-nickel (하이니켈)
니켈 함량이 높은 배터리. 주행거리를 늘릴 수 있고, 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 만들 수 있게 된다.

High-Mn (하이망간)
망간 함량이 높은 배터리. 망간은 니켈보다 가격이 싸다. 70% 가량 저렴하고 매장량도 풍부하다. 안정성도 높다. 단점은 에너지 밀도가 낮다는 것. 전기차 주행거리 연장에 한계가 있다. 다만 배터리 화재를 줄일 수 있고 가격이 저렴해 전기차 대중화에 유리하다.

양극재
리튬이차전지에서 양극재는 리튬의 공급원으로써, 전지가 충전/방전 시 양극재의 결정격자로부터 리튬을 방출/흡수하여, 전지 내에 전기에너지를 저장/방출 가능하게 해 주는 주원료이다.

현시점에서 일부 업체들(Tesla, Volkswagen-Northvolt 등)의 배터리 셀 대량 양산이 예정된 시점에 잘 진행될 수 있을지, 혹은 중대한 차질이 발생하게 될지 예단하긴 어렵다. 다만 당사는 주요 완성차 업체들이 공식적으로 자체 생산을 통한 배터리 내재화 계획을 발표한 만큼 우선은 양산에 문제가 없다고 가정한 후 보수적인 관점에서 국내 배터리 업체들의 성장성의 기울기에 대해 다시 고민해보았다.

 

Volkswagen 이 손을 잡은 Northvolt 는 누구인가?
스웨덴 기업인 Northvolt 는 Tesla 의 VP of Supply Chain 직을 맡아 구매와 아웃소싱 업무를 담당했던 Peter Carlsson 이 퇴사 후 2015 년 SGF Energy 로 창립되었다. 이후 2017 년에 회사명을 Northvolt 로 변경했다. 지난 2019 년 독일 Volkswagen 과 배터리 합작사를 세우기로 한 Northvolt 의 성장 배경에는 한국, 일본, 중국 등에서 이직한 직원들의 핵심적인 역할이 있었다. 실제로 Northvolt 는 일본의 Panasonic, 중국의 CATL, 한국의 LG 화학(현 LG 에너지솔루션) 등 주요 배터리 업체들에서 핵심 인력을 스카우트했으며, 특히 한국 인력이 자사 배터리 기술 로드맵 구축에 결정적인 역할을 했다고 직접 언급한 바 있다. 또한 2019 년 당시 Northvolt 홈페이지에서도 LG 화학(현 LG 에너지솔루션)과 Panasonic 출신 한국인과 일본인 연구원들이 30 여명 이상 근무 중이라고 소개되었다(<그림 11>참조).

 

아웃소싱 (outsourcing)
기업이나 조직에서 제품의 생산, 유통, 용역 등, 업무의 일부분을 외부의 전문기관에 위탁하는 것을 말한다. 원래는 미국 기업이 제조업 분야에서 활용하기 시작했으며 경리, 인사, 신제품 개발, 영업 등 모든 분야로 확대되고 있다. 기업은 핵심사업에만 집중하고 나머지 부수적인 부문은 외주에 의존함으로써 생산성 향상을 극대화할 수 있다.

Northvolt 는 Volkswagen(독일), ABB(스위스), BMW(독일) 등 유럽 내 여러 완성차 업체들과 파트너 관계를 맺고 있다(<그림 10>참조). 특히 Volkswagen 은 Northvolt 지분 20% 이상을 보유한 전략적 관계사이다. Volkswagen 은 지난 2019 년 6 월에 총 9 억유로를 투자해 Northvolt 지분 인수와 함께 전기차 배터리공장(Northvolt AB)을 건설하기로 했으며, 9 월에 합작사를 설립했다. 최근 해외언론에 따르면 Northvolt 는 Volkswagen 으로부터 향후 10 년간 140 억달러(약 16 조원) 규모의 주문을 받았으며, 이를 포함해 주요 고객사들로부터 총 270 억달러(약 31 조원) 이상의 계약을 확보한 것으로 알려졌다.

Volkswagen 의 배터리 내재화 가능성은 LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션의 ICT 배터리 소송(2019 년 4 월)이 시작될 때부터 이미 예견된 일이었는지도 모르겠다. 국내 배터리 3 개 업체들은 모두 지난 2018 년에 Volkswagen 의 전기차 플랫폼인 MEB 프로젝트와 관련하여 대규모 수주를 받은 바 있다. 그러나 Volkswagen 은 향후 파우치 배터리의 안정적인 수급을 우려했을 수 있다. 이후 Volkswagen 은 2019 년 6 월에 Northvolt 의 지분 20%를 인수하며 최대 주주로 올라섰다. 또한 2020 년 5 월에는 중국 3 위 배터리 업체인 Guoxuan High-Tech 의 지분 26.47%를 인수했다. 결국 Volkswagen 은 지난 3 월 ‘Power day’를 통해 Northvolt 와 Guoxuan High-Tech 가 강점을 가지고 있는 각형 배터리의 채택을 대폭 확대하고 배터리마저 자체 생산하겠다고 밝혔다.

 

MEB (Modular Electric Drive Kit)

파우치 배터리
배터리 소재를 층층이 쌓고 패키징 하기 때문에 내부에 빈 공간이 없다. 각형과 원통형에 비해 설계 자유도가 높고, 무게가 가볍고 에너지 밀도도 높으며, 에너지를 장기간 안정적으로 낼 수 있는 장점이 있다. 하지만 각형과 원통형에 비해 생산 단가가 비싼 것이 약점이다.

이로 인해 주요 배터리 업체들의 유럽, 미국, 중국 시장의 공급선 변화가 불가피해졌다. 국내 배터리 업체들도 Volkswagen 외 주요 완성차 업체들과의 협력관계를 더욱 공고히 해 지속적으로 성장할 수 있는 새로운 대책 수립이 반드시 필요하다. 핵심 인력으로 한국, 일본, 중국 엔지니어들이 근무 중인 Northvolt 가 배터리 양산 경험이 없어 생산하지 못할 것으로 보는 것은 자칫 안일한 생각일 수 있다. 다만 향후 Northvolt-Volkswagen 자체 배터리 생산 공장의 양산 수율이 예정된 기간 내에 안정화 단계에 진입할지 여부에 대해서는 지켜볼 필요가 있다.

 

완성차 업체들의 배터리 내재화 우려는 더 이상 크지 않다
완성차 업체들의 배터리 수직계열화 소식은 국내 배터리 업체들에게 분명 악재이다. 그렇다면 남은 완성차 업체들 중 앞으로 누가 또 배터리 수직계열화 움직임을 보일 수 있을까? 우선 완성차 업체들이 배터리 셀을 내재화하기 위해서는 대규모 설비 투자를 위한 체력(자본력)이 뒷받침되어야 한다. 배터리 산업은 자본집약적 산업이기 때문이다. 또한 기존 완성차 업체들 중에서도 높은 시장점유율과 자체 전기차 플랫폼을 가지고 있는 1st Tier 업체들이어야 규모의 경제를 통해 제조원가를 낮추려는 노력이 합리화될 수 있다(<표 1,2>참조).

전 세계 자동차 시장점유율을 살펴보면 Volkswagen 그룹과 Toyota 가 각각 11%로 1 위에 위치해 있고, FCA(Fiat Chrysler), PSA(Peugeot Citroën)이 50:50 으로 합병해 만들어진 Stellantis 그룹과 Renault-Nissan 그룹, GM, 현대-기아 그룹이 각각 8~9%를 차지하고 있다(<그림 12>참조, 2018~2020 년 평균). 전통 완성차업체들 중 이들 정도만이 전기차 전용 플랫폼을 공개하며 자동차의 전동화 전쟁에 본격적으로 뛰어들고 있으며, 배터리 수직계열화 가능성이 존재한다고 볼 수 있다.

현재 배터리 수직계열화 계획을 공식화한 완성차 업체는 미국의 Tesla 와 GM, 유럽의 Volkswagen 그룹, Stellantis 그룹, 일본의 Toyota 등 총 5 곳이다. 결론적으로 기존 1st Tier 완성차 업체들의 배터리 수직계열화는 이미 대부분 결론이 지어졌다. 이제 유일하게 가능성이 남은 업체는 현대-기아 그룹이다(<그림 16>참조).

GM 은 가장 먼저 배터리 수직계열화를 공식화했다. LG 에너지솔루션과 50:50 합작사인 Ultium Cells 를 설립하고 2022 년 가동을 목표로 35GWh 규모의 1 공장을 건설하고 있다. 또한 비슷한 규모의 두 번째 공장 추가 투자 계획도 구체화되고 있다. Tesla 는 지난해 ‘Battery day’를 통해 건식코팅방식과 Tabless공정 등을 적용한 46800 원형셀 자체 생산 가능성을 언급했다.

지난 3 월 Volkswagen 은 ‘Power day’를 통해 향후 2030 년까지 유럽향 전기차향 배터리(240GWh)를 전부 각형으로 내재화하겠다고 밝혔다. 이를 위해 Volkswagen 그룹은 유럽향은 Northvolt 와, 중국향은 Guoxuan High-Tech 와 손을 잡았다. 특히 전략적 배터리 협력사인 Northvolt 와 함께 2023 년부터 비용을 낮추고 성능을 개선시킨 각형의 Unified cell 배터리를 출시하고, 2030 년까지 유럽 6 개 지역에 총 240GWh(40GWh x 6 개) 규모의 생산기지를 구축하여 자사의 유럽향 전기차에 적용되는 배터리를 수직계열화 할 계획이다.

Stellantis 그룹 내 PSA 는 Saft(석유회사인 Total 의 자회사)와 합작사인 ACC 를 설립해 배터리 공장 건설을 추진 중이다. 다만 2030 년 Capa. 계획은 총 48GWh 수준으로 상당히 제한적이다. 최근에는 Renault 가 배터리 투자를 공식화하며 전략적 협력 업체들과 논의 중인 것으로 알려졌다. 이 가운데 Renault 와 10 년이상 관계를 맺어온 LG 에너지솔루션의 협력 가능성이 부각되고 있다.

 

Capa (capacity)
생산능력

Renault (르노)
프랑스의 자동차 제조회사이다.

 

Toyota 는 지난 2019 년에 Panasonic 과 합작회사인 Prime planet energy & solutions 을 설립했다. Toyota 는 배터리와 관련된 개발 및 생산 엔지니어링 분야의 장비와 인력을, Panasonic 은 배터리 개발, 생산, 제조와 이와 관련된 조달, 수주, 관리 등의 분야에서 장비, 자산, 인력 등을 합작사에 이전하기로 했다. Prime planet energy & solutions 은 이를 바탕으로 생산라인을 구축해 2022 년부터 HEV 향 배터리 양산을 시작하고 Capa.를 점차 확대해 나갈 예정이다. 또한 향후 전고체 배터리 양산을 목표로 개발도 함께 진행한다. Toyota 는 중국 BYD 와도 손을 잡았다. 양사는 BTET(BYET Toyota EV Technology)라는 배터리 개발 합작회사를 설립해 오는 5 월부터 전기차 플랫폼 및 모델, 배터리, 부품 등을 공동으로 개발할 예정이다.

 

HEV
주 동력원이 화석연료(열에너지)고, 보조동력원이 전기에너지인 전기차를 뜻한다. 즉 연료탱크를 기반으로 한 내연기관과 배터리 기반의 전기모터가 같이 탑재된 차량이다. 이 차량에서 전기모터는 가속 시 출력 보조 역할을 하면서 자동차의 연비 향상, 배기가스 감소에 도움을 준다.

BYD (比亞迪, 비야디)
세계 2위이자 중국 1위의 전기자동차 업체.

 

현대-기아가 배터리 내재화하더라도 주가 Risk 요인 아닐 것
앞서 언급한 바와 같이 주요 완성차 업체들 중 현대-기아 정도만이 배터리 수직계열화 가능성이 남아있는 것으로 판단된다. 그러나 업계는 현대-기아 그룹이 배터리 수직계열화에 대한 계획이 없으며, 투자할 여력도 크지 않은 것으로 보고 있다. 현대-기아의 자금 유동성이 Volkswagen 과 비교해 부족한 것도 사실이다. 그럼에도 불구하고 만일 현대-기아가 배터리를 내재화하려는 움직임을 보이더라도 국내 이차전지 업종 주가 조정의 주된 원인으로 작용하지 않을 것으로 판단된다. 국내 배터리 업체들과 손을 잡을 가능성이 상당히 높기 때문이다.

지난 2019 년 12 월 GM 은 당시 LG 화학(현 LG 에너지솔루션)과 함께 각각 1 조원을 출자해 지분 50:50 의 합작법인을 설립하고, 단계적으로 총 2.7 조원을 투자해 30GWh 이상의 생산 Capa.를 확보하는 계획안을 발표했다. <그림 18>의 당시 국내 배터리 셀 업체들의 주가를 살펴보면 GM 의 배터리 수직계열화 발표 이후 LG 화학뿐만 아니라 삼성 SDI 와 SK 이노베이션 주가도 동반 상승한 것을 알 수 있다. 결론적으로 향후 주요 완성차 업체들의 추가적인 배터리 수직계열화 우려는 대부분 해소된 것으로 판단된다.

 

국내 배터리 업체들이 먹을 것은 여전히 많다
100 여년간 유지되어 온 내연기관 중심의 자동차 산업은 ① 탄소 중립, ② Digital transformation 이라는 두 가지 거대한 변화와 직면하여 변화를 강요받고 있다. 2050 년까지 탄소중립을 선언한 많은 국가들은 교통수단의 친환경화를 단계적으로 이루어야 할 책임을 안고 있다. 대부분 국가들이 2035 년을 기점으로 내연기관 판매 중단을 선언함에 따라 완성차 업체들은 BEV, PHEV, FCEV 등과 같은 친환경차 라인업으로 전환을 모색하고 있다(<그림 21>참조). 이 과정에서 배터리 산업이 대규모 장치 산업이라는 특성상 안정적인 소재 공급처를 확보하고 규모의 경제를 실현하는 업체들만이 살아남을 가능성이 높다.

향후 국내 배터리 업체들이 진입할 수 있는 시장 규모에 대해 살펴보자. 전 세계 자동차 판매량은 이전의 예측과는 달리 앞으로 자율주행 기술의 발전, 공유 경제의 확산, 다양한 모빌리티 형태의 등장으로 인해 연간 판매량이 점차 감소할 것으로 전망되고 있다. 반면 동시다발적으로 Connectivity, 자율주행, 공유경제의 확산 등의 기술변화가 도래하며, 이를 한 대의 자동차에서 동시에 구현하기 위해서는 에너지 전환 효율이 높은 배터리 기반의 전동화가 반드시 필요하다(<그림 23> 참조). 특히 점진적인 배터리 가격 하락, 전기 충전소 인프라 확대 등으로 인해 전기차의 보급 속도가 가속화될 것으로 전망된다.

 

Connectivity (커넥티비티)
서로 다른 기종을 연결하여 호환성을 향상시키는 시스템을 말한다. 예를 들어 스마트폰이나 외부차량​, 교통 인프라, 스마트홈과 같은 다양한 기기와 연결이 가능한 자동차.

 

이를 고려하여 <표 4>와 같이 2030 년 주요 완성차 업체별 전기차 생산량과 배터리 수요량을 전망해보았다. 향후 국내 배터리 업체들의 성장 가능성과 기울기를 가늠해보기 위함이다. 우선 1st Tier 완성차 업체들은 향후 전기차로의 전환을 잘 수행해 기존 내연기관에서의 점유율을 잘 유지해 나갈 것이라는 점을 고려해 지난 3 년치 평균 점유율을 반영했다. 반면 2nd Tier 완성차 업체들은 전기차로의 전환에 어려움을 겪으면서 IT 기술 기반의 신생 전기차 업체들에게 점유율을 빼앗길 수 있다는 점을 감안했다. 대표적인 전기차 업체들로는 Tesla, Nio, Xpeng, Rivian, Rucid motors 등을 꼽을 수 있다. 또한 전기차 전환율은 북미, 유럽 등 선진국 70%, 중국 60%, 기타 지역 45~50% 수준으로 가정했다. 물론 향후 전고체 배터리의 등장으로 배터리 시장의 판도에 변화가 나타날 가능성이 존재한다. 다만 전고체 배터리 대량 양산의 기술적 어려움과 가격 경쟁력을 고려할 때 의미 있는 시장 침투가 예상보다 빠르지 않을 가능성이 높고, 국내 업체들도 전고체 배터리 연구개발에 노력을 기울기고 있다는 점을 감안해 이에 대한 영향은 배제하였다.

그 결과 2030 년 전기차 배터리 수요량은 약 3,537GWh 규모에 달할 것으로 전망된다. 2020 년 전기차 배터리 수요(약 148Gwh) 대비 약 24 배 수준이다(<그림 25>참조). 특히 1st Tier 완성차 업체들이 배터리 수직계열화 움직임 보이고 있다는 것과 자국 내 업체들을 우선시하는 중국 시장은 진입이 어렵다는 점을 고려해 이를 배제하더라도 국내 배터리 업체들이 진입 가능한 전기차 배터리 시장 규모는 약 1,479GWh 로 추정된다(<표 5>참조). 이를 기준으로 시장 내 국내 배터리 3 사의 점유율을 가정해 보면 국내 업체들의 생산량은 큰 폭으로 증가할 가능성이 높다(<그림 26~29><표 5>참조).

물론 기존의 시장조사기관들의 전망치 대비 공격적인 수치이다. 그러나 2050~2060 년 탄소중립을 선언한 주요 국가들이 예정대로 2025~2030 년을 기점으로 내연기관차량 판매를 완전 금지한다면 2030 년 기준 약 65% 수준의 전기차 전환율이 완전 불가능한 이야기도 아닐 수 있다. 또한 향후 배터리 수요는 전기차 배터리 시장 외에도 ESS, UAM(Urban air mobility), 로봇 등 다양한 분야로도 확대될 수 있다. 이에 따라 당사는 국내 배터리 3 사인 LG 에너지솔루션, SK 이노베이션, 삼성 SDI 의 실적 성장성은 매우 클 것으로 예상하며, 전방업체들의 대규모 Capex 투자가 주도하는 중간재(소재, 부품) 업체들의 장기 호황 가능성에도 함께 주목해야 한다고 판단한다.

 

Capex (Capital expenditures)
미래의 이윤을 창출하기 위해 지출된 비용을 말한다. 이는 기업이 고정자산을 구매하거나, 유효수명이 당회계년도를 초과하는 기존의 고정자산에 대한 투자에 돈이 사용될 때 발생한다.

 

Volkswagen 북미 지역 배터리 공급사는 누구일까?
우리가 또 한 가지 주목해야 할 것은 올해 하반기에 있을 Volkswagen 향 배터리 수주 건이다. 그중에서도 각형 배터리를 생산하는 삼성 SDI 의 Volkswagen 북미와 기타 지역향 물량 배터리 공급 수주 여부이다. Volkswagen 은 2024 년부터 양산할 예정인 SSP 플랫폼(Scalable Systems Platform, MEB 후속) 전기차 라인업들에 대한 배터리 수주 입찰을 올해 하반기에 진행할 예정이다(<그림 31>참조). 이미 Volkswagen 은 ‘Power day’를 통해 배터리 셀 구조를 하나의 각형으로 단일화시켜 2023 년부터 단계적으로 도입해 2030 년에는 전체 차량의 80%까지 확대할 계획임을 밝혔다. Volkswagen 은 2030 년까지 유럽 내에서 판매되는 신차 중 전기차 비중을 70%(BEV 60%)까지 확대하는 것을 목표로 하고 있으며, 이에 해당하는 배터리(240GWh)를 전략적 배터리 협력사인 Northvolt 와 함께 내재화할 예정이다. 또한 중국에서 판매하는 전기차 배터리는 CATL, Guoxuan High-Tech 등 현지 업체가 공급할 가능성이 유력하다.

 

SSP 플랫폼
폭스바겐그룹은 배터리의 비용과 복잡성을 줄이는 동시에 범위와 성능을 높이기 위해 2023년 새로운 통합 배터리셀을 출시하고 2030년까지 그룹 전기차의 80%에 이를 탑재할 계획이다. 이 새로운 통합 배터리셀은 각형으로 제작될 예정이다. 폭스바겐은 이 새로운 통합 배터리셀을 탑재한 뒤 다음 수순으로 차세대 배터리인 전고체 배터리로 전환한다는 계획이다. 그러나 전기차의 뼈대가 될 전용 플랫폼은 이원화할 것으로 보인다.

현재 폭스바겐그룹은 차세대 전기차 전용 플랫폼인 SSP를 개발하고 있다. 이 플랫폼은 폭스바겐의 순수 전기차 ID.3와 ID.4, 스코다 엔야크, 아우디 Q4 e-트론에 적용된 MEB 플랫폼을 대체한다. 폭스바겐그룹은 2025년께 이 플랫폼의 개발을 완료하고 2030년까지 모든 세그먼트에 SSP를 기반으로 하는 전기차를 투입할 예정이다. 그러나 아우디, 포르쉐, 벤틀리는 아우디와 포르쉐가 현재 개발하고 있는 전기차 전용 플랫폼 프리미엄 플랫폼 일렉트릭(PPE)를 기반으로 하는 전기차를 출시한다. 아우디와 포르쉐는 지난 2018년부터 PPE를 개발하고 있으며 빠른 가속, 긴 주행거리 및 짧은 충전 시간에 초점을 맞추고 있다. 이들이 SSP 플랫폼이 아닌 PPE 플랫폼을 사용하는 것은 고성능 모델까지 아우를 수 있는 단일 플랫폼을 개발하기엔 비용이 너무 많이 들기 때문이다.

출처: M오토데일리

CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited)
2011년 설립된 중국의 배터리 제조업체. 푸젠성 닝더에 본사를 두고 있다. 중국 내에서 BYD와 경쟁관계이고 대외적으로 파나소닉, LG화학, 삼성SDI와도 경쟁한다. 베이징자동차와 상하이자동차, 창안자동차 등 중국내 업체는 물론 BMW, 폭스바겐, 닛산 등에도 배터리를 공급하고 있다. 테슬라의 중국공장인 기가상하이에서 생산되는 테슬라 모델 3의 배터리를 공급하며, 이후 생산될 테슬라 모델 Y의 배터리도 공급할 것으로 알려져 있다.

그렇다면 북미와 기타 지역향 각형 배터리는 누가 공급할 수 있을까? 만일 삼성 SDI 가 이에 대한 배터리 공급 신규 수주를 확보한다면 실질적인 세 번째 주력 공급사의 위치를 차지할 것으로 보인다. 특히 삼성 SDI 가 Volkswagen 북미향 배터리 수주에 성공한다면 곧이어 미국 공장 증설에 나설 가능성이 있다. 2025 년 7 월부터 북미자유무역협정(NAFTA)을 대체할 신북미무역협정(USMCA) 발효로 인해 완성차의 경우 미국 내 생산 비중(역내생산)을 75% 이상 확보해야만 무관세 혜택을 받을 수 있기 때문이다. 미국은 신북미무역협정을 통해 자국 내 자동차 산업 신규 투자와 생산, 고용을 늘려 재도약을 꾀하고 있다. 삼성 SDI 는 올해 6 월부터 판매 예정인 미국 스타트업 업체인 Rivian 의 전기 픽업트럭 R1T, SUV R1S 에도 원형 배터리를 공급한다(<그림 32>참조). 현시점에서 예단하기 어렵지만 지금까지 보수적인 자세를 보여왔던 삼성 SDI 가 Volkswagen 향 물량 확대와 함께 올해 하반기~내년 중에 새로운 증설 계획 변화가 나타날 가능성에 대해 주목해야 할 것으로 판단된다.

 

 

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Ⅱ. 소재 혁신의 중요성 부각된다

신생 업체들과의 기술 격차 위한 국내 배터리 업체들의 노력 가속화
앞서 언급한 바와 최근 국내 배터리 업종에 드리워진 4 가지 불확실성(① 미국채 금리상승, ② 배터리 화재건으로 인한 일회성 충당금 발생, ③ LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션 ITC 소송 분쟁, ④ Volkswagen ‘Power day’발(發) 완성차 업체들의 배터리 수직계열화 우려)이 해소된다면 이차전지 소재, 부품 업종에 대한 우려도 불식될 수 있다는 것을 의미한다. 특히 국내 배터리 업체들이 신규 진입 업체들과 기술 격차를 벌리기 위한 노력이 소재 업체들의 수혜 강도를 더욱 커지게 할 것으로 전망된다.

국내 배터리 업체들은 CATL(중), Panasonic(일) 외에도 Northvolt(스웨덴), FREYR(노르웨이), AMTE(영국), ACC(프랑스), SVOLT(중국) 등 신규 진입업체들과의 차별화된 기술 경쟁력을 확보하기 위한 연구개발의 노력이 반드시 뒷받침되어야 한다. 이를 위해 배터리 업체들이 중장기 기술 로드맵상 계획하고 있는 소재단의 변화가 가속화될 것으로 전망된다. 주요 완성차 업체들이 배터리업체에 요구하는 사항은 명확하다. ① 주행 거리 증가, ② 배터리 가격 하락, ③ 충전 시간 단축, ④ 안정성 개선, ⑤ 저온 성능 및 수명 향상이다. 배터리 에너지 밀도를 높여 주행거리를 늘리고 용량당 단가도 낮추는 한편, 짧은 시간 내 충전이 가능하고 수명과 안정성을 개선시킬 수 있게 하는 기술적 방안이 필요하다. 결국 국내 업체들이 가야 할 길은 배터리 특성을 높일 수 있는 소재혁신과 생산원가를 낮출 수 있는 공정개선에 답이 있다.

리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-)간 리튬이온의 이동을 통해 화학에너지를 변환해 전기에너지를 만들어내는 장치이다. 리튬이온 배터리를 이루는 4 대 구성요소는 양극, 음극, 분리막, 전해액로 구분된다. 현재 대부분의 전기차용 리튬이온 배터리는 ① 용량과 평균 전압을 결정하는 양극활물질로 NCM, NCA 등을, ② 리튬이온을 저장하고 전류를 흐르게 하는 음극활물질로 흑연을, ③ 양극과 음극 사이 리튬이온 이동 매개체인 전해질로 LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄ 등의 리튬염을 Propylene Carbonate, Ethylene carbonate 등의 유기 용매에 용해하여 사용한다.

 

리튬 이온 전지 (Lithium-ion battery, Li-ion battery)
이차 전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.

리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 그러나 일반적인 리튬 이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.

NCM, NCA
NCM(니켈코발트망간 산화물), NCA(니켈코발트알루미늄 산화물)
공통적으로 니켈이 들어가는 NCM과 NCA는 다른 양극재들에 비해 에너지 밀도가 높다. 같은 크기의 배터리를 만들었을 때 더 많은 전기에너지를 낼 수 있다.

 

향후 국내 업체들이 배터리 특성을 향상시키기 위해서 준비 중인 4 대 소재의 개발방향은 다음과 같다(<그림 33>참조). ① 양극재는 High-nickel 양극활물질과 CNT(Carbon nanotube) 도전재를 적용해 에너지 밀도를 높이고, ② 음극재는 기존 흑연음극활물질에 실리콘 음극활물질 5wt%~15wt%를 섞는 형태로 리튬이온의 저장용량을 높이고 충전 시간을 단축시킬 것으로 예상되며, ③ 전해액은 LiPF6 의 범용전해질에 LiFSI(F 전해질), LiPO₂F₂(P 전해질), LiDFOP(D 전해질), LiBOB(B 전해질) 등 다양한 전해질 및 첨가제를 더해 배터리 수명, 저온 성능 및 충/방전 효율을 개선시키는 방향일 것으로 예측된다(<그림 34>참조). ④ 또 한편으로는 중저가 전기차 대중화를 위해 LFP 에 맞서기 위한 High-Mn(Mn-Rich) 배터리 개발도 시작했다. High-Mn 배터리는 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있지만, Mn(망간)이 Ni(니켈)보다 70% 가량 저렴하고 매장량도 풍부해 배터리 가격을 낮추는데 유리하기 때문이다. 물론 해외 배터리 업체들도 앞서 언급한 기술 방향과 유사한 연구개발들을 진행 중이다. 그러나 국내 배터리 업체들은 높은 기술력을 확보하고 있는 국내 이차전지 소재 업체들과 함께 공급망을 구축하고 있기 때문에 충분히 앞선 경쟁력을 갖춘 것으로 판단된다.

 

CNT (Carbon nanotube, 탄소 나노튜브)
원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 길이와 지름의 비가 132,000,000:1에 이르는 나노튜브도 만들어졌는데, 이는 지금까지 알려진 물질 중 가장 높은 값이다. 탄소 나노튜브는 여러 특이한 성질을 가지고 있어서 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 매우 특이하여 다양한 구조 물질의 첨가제로도 응용되고 있다. 예를 들면 (주로 탄소섬유로 만들어지는) 야구방망이나 골프채, 자동차 부품, 다마스쿠스 강에 탄소 나노튜브를 소량 첨가하기도 한다.

도전재
전기 및 전자 흐름을 돕는 소재로 양극재에 넣는 재료를 뜻한다.

wt (weight)
wt%는 중량비율을 말한다. 실험하고자 하는 물질의 중량을 100으로 보았을 때 검출된 량을 %로 나타낸 것이다. 100ppm=0.01wt%은 단위환산의 일종이다.

LFP (리튬 인산철, LiFePO4)
다른 리튬이온전지 (폴리머 포함) 등과 비교 시 발열성이 없어, 가연성 또는 폭발 등을 일으키지 않음으로써 안전성이 탁월하다. 또한 직류 측 입력 변동이 작아서 PCS 설계가 용이하고 ESS 절연전압도 낮출 수 있는 효과가 있으며 온도특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위 온도에 영향을 주지 않는다.

 

국내 소재 업체들에게는 더 큰 기회가 열린다
최근 불거지고 있는 주요 완성차 업체들의 배터리 수직계열화 움직임은 국내 배터리 업체들에게 우려 요인으로 작용할 수 있는 반면 소재, 부품 업체들에게는 또 다른 기회가 될 수 있다. 특히 대부분의 배터리 업체들이 최대 전기차 시장인 유럽 지역에 공격적으로 설비 투자를 확대하며 핵심 생산 기지를 구축하고 있다. 각 업체들의 증설 계획에 따르면 2025 년에 총 400~500GWh 의 생산 능력을 갖출 것으로 전망된다(<그림 35>참조). 현재 유럽에는 총 10 개(국내 3 사, 중국 2 사, 유럽 4 개사, 미국 1 개사)의 배터리 업체가 공장 건설을 추진 중인 것으로 파악된다. 대표적으로 국내 배터리 3 사인 LG 에너지솔루션이 약 100GWh, 삼성 SDI 가 약 60GWh, SK 이노베이션이 약 40GWh 의 Capa.가 가동될 것으로 전망된다. 또한 Volkswagen 이 Northvolt 와 함께 2030 년까지 240GWh 규모에 달하는 생산 Capa.를 확보할 예정이다. Tesla 도 베를린에 자체 배터리 생산 공장가동 계획을 가지고 있다.

이에 따라 유럽 현지에 생산 설비가 갖춰져 있어 Northvolt 를 포함한 해외 배터리 업체들로 소재를 공급할 가능성이 높은 국내 소재 업체들에게 주목해야 한다. Commodity 화 되어있는 이차전지 소재 특성상 지리적 이점을 통해 국내 업체뿐만 아니라 해외 고객사로 공급을 다변화하면서 높은 성장 동력을 확보할 수 있을 것으로 기대되기 때문이다. 특히 국내 이차전지 소재 업체들이 높은 기술력을 확보하고 있어 고객사들의 선택을 우선적으로 받을 가능성이 높다. 유럽 내 생산 설비를 갖추고 있는 국내 소재 업체들로는 솔루스첨단소재(동박), 동화일렉트로라이트(전해액), 솔브레인(전해액), 롯데알루미늄(Al 전극), SK 아이이테크놀로지(분리막) 등이 있다. 특히 향후 Capa. 증설 계획이 가장 공격적인 Northvolt 로 소재 공급이 확정된 업체들로는 동진쎄미켐 (실리콘음극활물질, CNT 도전재), 나노신소재(CNT 도전재) 등이 있다. 특히 Volkswagen 이 프리미엄 전기차를 중심으로 실리콘 음극활물질을 확대 적용할 것으로 언급함에 따라 CNT 도전재가 실리콘 음극활물질의 팽창 문제를 보완하기 위해 반드시 같이 사용되어야 한다(<그림 38,39>참조).

 

솔루스첨단소재
동사는 '20년 12월 솔루스첨단소재㈜로 상호명을 변경하였으며, 전지박, 동박, OLED, 화장품, 제약소재 사업부문을 영위하고 있음. 2014년 전지박 원천기술을 보유한 룩셈부르크 동박업체 서킷포일(CFL)을 인수, 2019년 헝가리 공장을 신설하며 전지박 사업 본격화. 2020년 연간 1만톤 규모의 헝가리 공장 완공을 시작으로 2025년까지 연간 7.5만톤 규모의 공장을 단계적으로 증설 예정.
출처 : 에프앤가이드

동화일렉트로라이트
휴대폰, 노트북, PDA 등의 휴대용 전자기기와 HEV/EV/PHEV 등에 채용되는 리튬이차전지에서 리튬이온을 이동시키는데 결정적 역할을 담당하는 전해액을 생산하고 있습니다. 당사에서 제조하는 전해액은 각형, 원형, 폴리머등 전반적인 리튬이차전지 및 리튬일차전지, Capacitor 등 다양한 형태 및 용도로 적용되고 있으며, 고성능, 고안정성을 가지는 다양한 전해액을 전지관련 업체에 공급하고 있습니다.

솔브레인
동사는 인적분할로 설립된 신설회사로 2020년 8월 재상장하였으며 분할 전 회사인 솔브레인홀딩스의 사업 중 반도체 및 전자 관련 화학재료 제조 및 판매 사업부문을 영위하고 있음. 삼성전자, SK하이닉스, LG디스플레이 등 국내 반도체 및 디스플레이 제조사에 공정용 화학 재료 등을 안정적으로 공급. 매출구성은 2020년 12월 기준 반도체 재료 67.66%, 기타 16.31%, 디스플레이 재료 16.03% 등으로 이루어짐.
출처 : 에프앤가이드

롯데알미늄
국내 포장 소재 역사와 함께한 롯데알미늄은 알루미늄박 및 인쇄포장재, 골판지상자, CAN 등 다양한 제품을 생산하고 있으며 롯데 브랜드에 걸맞은 최고의 품질과 기술을 제공하고 있습니다.

SK 아이이테크놀로지
업종. 일차전지 및 축전지 제조업.
주요제품. 2차전지용 습식 분리막 및 폴더블 커버 윈도우.

동진쎄미켐
1973년 7월에 법인설립되어 반도체 및 TFT-LCD 의 노광공정에 사용되는 Photoresist 관련 전자재료사업과 산업용 기초소재인 발포제사업을 주로 영위함. 반도체 및 평판디스플레이용 감광액과 박리액, 세척액, 식각액 및 태양전지용 전극Paste 등 전자재료를 반도체칩 및 TFT-LCD, 태양전지 등의 제조업체에 납품함. 동사의 주요 매출처는 삼성전자와 하이닉스, 엘지디스플레이와 삼성디스플레이 등이 있음.
출처 : 에프앤가이드

나노신소재
동사는 디스플레이, 반도체, 태양전지 등의 소재 제조업을 목적으로 하며, 2000년 3월 15일 설립되었음. 동사는 디스플레이 산업에서 Target 제품 이외에 인쇄전자산업에 적용할 수 있는 Silver nano ink/paste 소재를 공급하고 있음. 태양전지 산업에서 주로 공급하고 있는 분야는 박막태양전지 분야이며, 고효율의 전지 개발과 원가 절감을 통한 생산성 확보에 노력하고 있음.
출처 : 에프앤가이드

 

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Ⅲ. 전고체 배터리 어디까지 왔나

리튬이온 배터리의 기술적 한계를 극복할 수 있는 전고체 배터리
전기차 배터리는 1 회 충전 시의 주행거리 향상과 충전 시간을 단축시키는 방향으로 특성 개선의 요구가 커지고 있다. 에너지 밀도가 높고 고출력이 가능해야 한다는 것을 의미한다. 특히 안정성 문제도 빼놓을 수 없는 중요한 요소이다. 이에 따라 전기차 배터리 시장의 게임 체인저로 차세대 기술인 전고체 배터리에 주목하고 있다. 전고체 배터리의 핵심은 고체 전해질이다.

전고체 배터리는 현재의 리튬이온 배터리가 가진 기술적 한계를 극복할 수 있는 잠재력이 크다. 첫째, 에너지 밀도의 증가이다. 향후 전기차의 주행거리 확보뿐만 아니라 완전자율주행 시 하루 5~15TB 가량 발생하는 방대한 데이터 처리를 위해서라도 배터리 용량 증가는 필수이다. 이론적으로 리튬이온 배터리의 에너지 용량이 300~400Wh/kg 가 한계인 반면 전고체 배터리는 400~500Wh/kg 수준의 에너지 특성을 나타낼 수 있다(<그림 40>참조).

둘째, 가연성의 액체 전해질이 고체 전해질로 대체되면서 안정성이 크게 향상된다. 전기화학적 안정성이 낮은 액체 전해액의 경우 고열과 외부 충격에 의해 부피팽창, 화재의 위험 요인이 존재한다. 셋째, 배터리 폭발 위험성이 낮아지면서 안정성을 확보하기 위해 사용되었던 부품, 소재 적용이 줄어들어 원가절감 효과를 기대할 수 있다. 넷째, 분리막이 사라지기 때문에 배터리 부피가 줄어들어 공간활용도 측면에서도 유리하다. 동시에 냉각, BMS (Battery Management System) 부품 수도 줄일 수 있게 된다.

 

BMS (Battery Management System, 배터리 관리 시스템)
최적의 배터리 제어를 통해 배터리 셀 간의 균형을 잡아 배터리 성능의 극대화와 안전성을 동시에 확보하는 역할을 한다. 이는 전기자동차 보급에 중요한 기술로 주목받고 있다.

 

전고체 배터리 기술적 난제를 해결하기 위한 개발 방향
전고체 배터리의 이론적 성능은 리튬이온 배터리 대비 우위에 있지만 대량 양산을 통해 상용화하기 위해서는 많은 기술적 난제를 극복해야 한다. 고체전해질 배터리의 기술적 요구 사항은 다음과 같다(<그림 43>참조). 첫째, 액체전해질 동등 수준 이상의 높은 이온전도도(>10⁻²S/cm) 특성을 가져야 한다. 둘째, 넓은 전기화학적 범위(Potential window)를 가지고 있어 배터리의 양극과 음극 구성시 충방전 전압 범위에서 전해질 분해 반응이나 부반응을 일으키지 않으면서 안정적이여야 한다. 셋째, 높은 열적 안정성을 가져야 한다. 일반적으로 산화물계나 황화물계 전해질은 양호하나 고분자계 전해질이 약점을 지니고 있다. 넷째, 높은 화학적 안정성을 가져야 한다. 수분과 공기 환경에서 물질을 다루기 자유로워야 공정상 원가 경쟁력을 확보할 수 있기 때문이다.

다섯째, 대량 양산에 적합한 물성을 지녀야 한다(대면적화, 복합전극 형성). 대면적 배터리 셀을 만들기 위한 Sheet 화 공정에 적합한지, 전극과 전해질 간의 계면 특성을 높이기 위한 가공이 용이한지 여부이다. 고체전해질은 액체전해질과 달리 양극활물질에 스며드는 투습이 어렵다. 따라서 반드시 양극활물질과의 좋은 접촉계면을 만들어 주어야 한다. 그렇지 않으면 수많은 Pore 들의 형성으로 접촉면적이 줄어들게 되어 계면저항이 높아지고, 리튬이온 이동성이 급격히 떨어지면서 배터리의 성능 저하를 초래한다. 고체전해질 사용에 있어 가장 중요한 부분이다. 이해를 돕기 위해 컵 속의 아메리카노를 예를 들어보자. 이 때 커피가 액체전해질, 얼음이 양극활물질의 구조가 지금의 리튬이온 배터리라고 볼 수 있다. 이 경우에는 커피와 얼음이 만나는 접촉면적이 많다. 반면 커피가 없는 컵 속에 크기가 서로 다른 두 가지의 얼음(양극활물질, 고체전해질)이 담겨 있다면 얼음과 얼음 간의 접촉면적이 상당히 줄어들 수밖에 없다.

 

계면 (界面)
한 균일한 액체와 고체의 위상이 다른 균일한 상과 접하고 있는 경계이다.

Pore (기공)

이를 해결하기 위해서는 고체전해질과 양극활물질 소재들을 섞어 복합전극을 형성해주어야 좋은 특성이 발휘될 수 있다. 또한 필요할 경우 일정한 압력으로 소재들을 압착시켜주는 공정이 추가된다(<그림 44>참조). 복합전극을 형성함으로써 기존 액체 전해질 기반의 리튬이온 배터리와는 달리 전극의 두께를 높여도 리튬이온이 움직일 수 있는 길이 형성되기 때문에 고에너지밀도 구현이 가능하다는 장점이 있다. 여섯째, 음극재로서 리튬메탈 소재의 적용 여부이다. 전고체 배터리에 기존 흑연 음극재 적용 시 기존 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도의 개선이 어렵다.

결국 전고체 배터리의 기술적 난제를 해결해 대량 양산 통한 제품화에 성공하기 위해서는 배터리 셀 구성 소재가 모두 고체인 형태로 대량 양산을 가능케 하는 소재의 호환성, 계면 현상 등의 많은 문제점들이 해결되어야 한다. 따라서 당사는 차세대 기술로 불리는 전고체 배터리 개발의 필요성에는 충분히 동의하나 양산성, 경제성 등을 고려할 때 실제 전기차에 적용되는 시기는 빨라야 2027~2030 년경일 것으로 전망한다. 이제 앞서 언급한 전고체 배터리 상용화를 위한 6 가지 기술적 요구 사항 관점에서 고체전해질 및 리튬메탈 음극재에 대해 자세히 살펴보자.

 

리튬메탈 배터리
리튬이온 배터리의 음극재인 흑연이나 실리콘을 리튬 메탈로 대체한 제품이다. 에너지 밀도를 1000Wh/L 이상으로 높일 수 있다. 리튬이온 배터리보다 두 배가량 효율적이다. 주행거리 확대나 차량 경량화에 따른 에너지 절감이 가능하다.

 

전고체 전해질의 종류와 기술적 장•단점
전고체 배터리는 고체전해질의 종류에 따라 크게 황화물계(Sulfide), 산화물계(Oxide), 폴리머계(Polymer) 3 가지로 구분된다(<그림 46>참조). 이 중 황화물계 전고체 배터리가 다른 고체전해질에 비해 소재의 기술적인 특성이 우수하고 대량 양산화에 가장 유리하다고 알려져 있다. 이로 인해 최근 전고체 배터리 양산을 목표로 하는 많은 업체들이 가장 집중하는 분야이다. 이를 연구개발 중인 업체로는 Toyota(일), 삼성(한), Solid power(미) 등이 대표적이다.

[황화물계 전고체 배터리]
황화물계 전해질은 2011 년에 동경공대 Ryoji Kanno 교수가 액체전해질과 동등 수준의 이온전도도(~10⁻²S/cm)를 갖는 Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS) 황화물계 고체전해질을 개발하면서 상용화 가능성에 대한 기대감이 높아지기 시작했다. 황화물계 고체전해질은 넓은 온도 영역대에서 높은 이온전도도 구현이 가능하며 고온, 고전압에서 분해되지 않아 안정적이다. 다만 높은 이온전도 특성을 나타내는 황화물계 전해질은 일본의 기업, 대학에서 원천특허를 보유하고 있어 국내 업체들은 새로운 고이온전도 고체전해질의 기술 확보가 필요하다. 황화물계 전해질의 또 다른 장점은 대면적화에 유리하다는 것이다. 고체전해질은 액체전해질과 달리 투습이 어렵기 때문에 양극활물질과 좋은 접촉계면을 만들어주지 않으면 계면저항이 높아져 리튬이온 이동성이 급격히 떨어진다. 이를 해결하기 위해서는 고체전해질과 양극활물질 소재들을 섞어줘야 좋은 특성이 발휘될 수 있다. 이 때 황화물계 전해질은 재료 물성이 부드러워 양극활물질과 전해질을 섞어 Sheet 형태로 만드는 것이 용이하다. 다만 이것만으로는 배터리 충방전시에 계면 접촉을 유지하기 어려워 30 기압 수준의 가압 압축 공정 과정이 반드시 필요하다.

반면 많은 기술적 어려움들도 분명 존재한다. 우선 황화물계 전해질은 수분 안정성이 낮다는 점이다. 특히 대기 중에서 수분과 반응시 유해물질인 황화수소(H₂S) 가스가 발생하게 된다. 또한 양극활물질과 고체전해질간 계면특성을 위한 가압 압축 공정이 반드시 필요하다. 따라서 이를 해결하기 위해 제조공정을 질소(N) 또는 아르곤(Ar) 환경으로 조성하고 가압 압축 공정이 추가될 경우 대량 양산시 생산 원가가 높아지게 된다.

또한 다른 고체전해질 대비 전기화학적 범위가 매우 좁아서 초기 충전에서 전해질이 분해되는 부반응이 발생한다. 양극재의 경우 이를 억제하기 위해 리튬이온전도성이 있는 계면상(Inter-phase)을 도입하여 황화물 고체전해질의 산화반응을 최소화하기 위한 연구개발이 진행 중이다. 충방전이 아닌 단순 접촉상태에서도 양극활물질과 황화물 고체전해질 내 리튬의 화학적 Potential 차이로 인해 공간전하층(Space charge layer)을 형성할 뿐만 아니라 활물질 내 금속원자와 고체전해질 내 황의 상호 확산으로 인해 계면저항이 커지거나 계면의 재료물성이 열화되는 문제도 발생하는 것으로 알려져 있다.

이 외에도 황화물계 전해질은 극성 용매에 쉽게 반응해서 녹기 때문에 기존 리튬이온 배터리에서 사용하는 바인더를 사용할 수 없어 대체 소재가 상당히 제한적이다. 특히 가격 경쟁력 측면에서도 불리하다. 황화물계 전해질의 가장 핵심소재는 황화리튬(Li₂S)이다. 그러나 아직까지 황화리튬을 대량으로 생산하는 곳이 없으며, Idemitsu kosan(일)과 Mitsui mining & smelting(일) 정도가 실험실 수준에서 생산 중이다. 향후 대량 양산화될 경우 가격은 빠르게 낮아지겠지만 기존 리튬이온 배터리 대비 제조원가가 상당히 높아질 가능성이 크다(<그림 47>참조). 구리(Cu) 전극박 사용의 어려움도 해결해야 한다. 황화물계 전해질이 구리와 반응하게 되면 CuS 가 생성되어 부식을 일으켜, 비가역 효율로 인한 충방전 용량 손실이 발생하게 되기 때문이다. 이를 해결하기 위해 주석(Ti), 니켈(Ni), 아연(Zn), 스테인레스(SuS) 등의 박막을 사용하거나 구리와 합금하여 부식을 막아주는 새로운 전극 집전체의 개발이 필요하다.

 

[산화물계 전고체 배터리]
산화물계 전해질은 높은 전기 화학적, 열적 안정성을 가지고 있다. 특히 황화물계 대비 수분과 대기 안정성이 높아 대기 상태의 제조 공정 조성이 가능하다. 또한 양극활물질과의 적합성도 우수하다. 그러나 가장 중요한 이온전도도가 10⁻³~10⁻⁴S/cm 수준으로 떨어지고, 대면적, 후막화가 어렵다는 것이 약점이다(<표 8>참조). 결국 고체전해질 특성상 양극활물질과 혼합되어 좋은 계면을 형성시켜야 하는데 높은 결정성에 의해 계면 저항이 너무 커서 현재로서는 대면적화가 불가능하다는 것이다. 따라서 산화물계 고체전해질 배터리는 대용량 이차전지로의 개발보다는 특수 용도의 소형 칩 형태로 활용될 것으로 전망된다. 산화물계 전고체 배터리를 연구개발 중인 업체로는 대표적으로 Volkswagen 이 투자한 Quantumscape(미)가 있다.

 

대면적
가로세로 수cm의 크기

[고분자(폴리머)계 전고체 배터리]
고분자계 전해질은 일반적으로 PEO(Poly ethylene oxide) 계열의 폴리머 소재를 사용한다. 그러나 PEO 계열은 높은 결정성을 가지고 있어 상온에서의 이온전도도가 ~10⁻⁷S/cm 수준으로 상당히 떨어져 60℃ 이상의 고온 조건에서 구현이 되어야 한다. 또한 이온전도도가 낮다는 점 때문에 아직까지 NCM811, NCA 등과 같은 High-nickel 양극활물질에 대응하지 못하고 있으며, LFP, 망간 산화물계 양극활물질에서 연구개발이 진행되고 있다.

 

폴리머 (polymer, 중합체)
단위체가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류이다. 대개는 화학적 합성에 의한 고분자를 '중합체'라 칭한다. 산업적으로 가장 많이 합성되는 중합체는 폴리에틸렌이며, 역사적으로 가장 유명한 예는 합성고무인 폴리아이소프렌이다. 폴리아이소프렌의 경우 분자 구조가 고무나무 수액에서 나오는 라텍스와 동일한 구조를 가지는 물질로서, 자연에서 얻어야만 했던 물질을 인간이 스스로 합성해낼 수 있었던 하나의 좋은 예이다.

NCM811 (니켈·코발트·망간 비중 8:1:1)

고분자계 전해질의 낮은 이온전도성의 문제점을 해결하기 위한 연구개발 방향은 다음과 같다. 우선 기존 고분자계 전해질에 첨가제나 무기충전재(Inorganic filler)를 넣어 딱딱한 고분자를 물렁물렁하게 만들어 이온전도도를 향상시키는 방향이다. 그러나 여전히 이온전도도가 ~10⁻⁵S/cm 수준으로 낮다는 어려움이 있다(<표 8>참조). 또한 분자량이 작은 PEO 소재를 쓰는 것도 검토되고 있다. 다만 분자량이 작아지면 기본적으로 액체이거나 Gel 형태이기 때문에 기계적인 특성이 떨어져 고분자전해질로 쓰기 어려우며, 여전히 낮은 이온전도도의 문제가 남아있다. 또한 고분자계 전해질도 고체전해질과 양극활물질 소재들을 섞어 복합전극을 형성시켜 계면 저항을 줄여야 한다는 기술적 어려움이 존재한다. 최근에는 고분자 전해질과 산화물 전해질을 섞는 방향으로도 많은 연구 개발이 진행되고 있지만 아직까지는 기초 단계이며 고온, 고전압 안정성이 떨어진다.

폴리머계 전고체 배터리는 과거 Blue solutions(프)이 모회사인 Bollore 의 전기차로 상용화한 바 있지만 에너지밀도가 떨어지는 단점이 있었다. 또한 Bosch 의 자회사인 SEEO(미)의 경우 많은 연구개발 진행해왔고, 과거 Bosch 가 상용화하려고 했지만 전지 사업을 철수하면서 상업화에 실패한 바 있다. 현대차, Honda, Mitsubishi, Hitachi chemical 등 많은 완성차 업체들이 투자한 Ionic materials(미)의 경우 이온전도도가 리튬이온 배터리 대비 우수하다고 주장하고는 있지만 기술적인 내용에 대해 많이 알려지지 않아 업계 및 학계에서는 재현성에 의문이 있는 것으로 보고 있다.

[기타 전고체 배터리]
그 외에는 Quasi 고체전해질(Gel) 분야가 있다. 다만 이는 산화물 고체전해질과 소량의 액체전해액, Binder 를 섞는 형태로서 고체전해질이라고 지칭하기 어렵다. 저온에서의 배터리 동작 특성이 떨어지고 화재가 발생할 수 있다는 문제점들을 안고 있기 때문이다. 흔히 반고체 배터리로도 불린다. 대만 Prologium, 국내에서는 덕산테코피아가 투자한 세븐킹에너지 등이 이 방식으로 연구개발을 진행 중이다.

 

덕산테코피아
동사는 OLED의 핵심구성요소인 유기재료와 반도체 전자재료 등의 화학제품을 전문적으로 생산하는 사업을 영위. HCDS 증착소재를 직접 합성부터 초고순도 정제까지 일관 제조하여 고객사에 공급하며, 해외원료에 의존하는 타사 대비 비교 우위를 점함. 폴리이미드 밸류체인의 하단에 속하는 초기 모노머를 합성할 수 있는 기술력을 보유한 전문기업으로, 향후 투명 PI 관련 사업은 동사의 새로운 성장 동력이 될 것으로 예상.
출처 : 에프앤가이드

 

새로운 음극재 기술의 적용이 필요하다
고체전해질을 사용한 전고체 배터리라 하더라도 기존 흑연 음극재를 적용할 경우 이론과는 달리 실제로는 기존 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도의 개선이 크지 않은 것으로 알려져 있다(<그림 50>참조). 이에 따라 새로운 음극재로 리튬메탈의 적용이 대두되고 있다. 과거 리튬이온 배터리 초기에는 리튬메탈 음극재로 연구가 시작되었지만 안정성의 문제로 양산에 실패하였다. 리튬이온 배터리의 음극재 발전 단계를 보면 높은 에너지밀도를 위해 오래 전부터 흑연이 사용되어 왔으며, 더 높은 에너지밀도의 구현과 충전 시간의 단축을 위해 흑연에 5~15wt% 정도의 실리콘을 섞어 사용하는 방향으로 가고 있다. 최근에는 전기차 보급의 확산으로 주행거리를 늘리기 위한 고에너지밀도 배터리에 대한 필요성이 더욱 높아지면서 다시 리튬메탈 소재에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 

‘E(에너지밀도) = I(전류) x t(시간) x V(전압) = Q(Capacity) x V(Operation voltage)’ 위의 수식에서 알 수 있듯이 결국 에너지 밀도를 높이기 위해서는 Q 혹은 V 를 높여주면 가능하다. Q 를 높이기 위해서는 양극재, 음극재가 이를 결정하기 때문에 어떤 종류의 전극을 잘 선택하느냐가 관건이다. 이와 관련하여 리튬메탈은 기존 흑연 대비 높은 Capacity 의 특성을 가진 음극 소재이다(<그림 49>참조). 다만 일반적으로 리튬메탈 음극재를 사용할 경우 리튬의 독특한 특성인 Dendrite(용융금속이 응고할 때 작은 핵을 중심으로 금속이 규칙적으로 퇴적되어 수지상의 골격을 형성한 결정) 현상으로 인해 음극재와 분리막 계면을 들뜨게 해 성능을 저하시키거나, 분리막 혹은 고체전해질을 관통해 양극과 음극이 만나 폭발하는 발화 문제가 발생한다(<그림 51>참조). 리튬메탈의 Dendrite 가 형성되는 이유는 리튬메탈이 반응성이 높은 금속 소재여서 박막 가공 시 표면을 균일하게 하더라고 미세하게 굴곡이 만들어지게 되며, Li₂O, LiOH, Li₂CO₃ 등의 부도체막이 형성되기 때문이다. 이때 리튬이온이 이동하게 되면 전자의 전류밀도가 특정 부분에 몰리게 되면서 Dendrite 가 만들어지게 된다.

최근에는 이를 해결하기 위해 리튬메탈에 고분자 전해질을 직접 코팅하거나 도전성 물질을 첨가하는 방향으로 연구개발이 이루어지고 있다. 또한 LiNO₃ 와 같은 VC(Vinylene Carbonate) 첨가제를 이용해 리튬메탈 표면에 화학적으로 보호막을 형성해 주거나, 리튬메탈을 박막이 아닌 가루 형태로 적용해 표면적을 넓혀 전류밀도를 낮추기 위한 방법도 제안되고 있다.

또 다른 기술 중 가장 괄목할만한 것은 삼성종합기술원의 Anodless 기술이다. 음극집전체 위에 리튬메탈 대신 Ag/C 나노 입자 복합층을 적용해 고에너지밀도화 장수명화를 구현했다. 다만 논문상의 연구 결과이기 때문에 아직까지 양산 구현에 어려움이 있을 것으로 판단되며, 상용화를 위한 양산 기술 개발이 필요할 것으로 보인다.

 

Anodeless
음극이 없는 전고체 전지

 

주요 업체들의 전고체 배터리 개발 현황
전기차 보급을 위한 움직임이 활발해지면서 전기차 성능을 한 단계 끌어올릴 것으로 기대되는 전고체 배터리가 주목받고 있다. 전고체 배터리는 아직까지 연구개발 단계에 있지만 전 세계 많은 배터리, 완성차 업체가 뛰어들며 상용화 준비에 박차를 가하고 있다(<표 9>참조). 전고체 배터리 기술에서 가장 앞선 것으로 평가받는 곳은 Toyota 이다. Toyota 는 2000 년대 초반부터 전고체 배터리 연구를 시작했으며 2008 년부터 상용화를 위한 본격적인 연구개발을 진행하고 있다. Toyota 가 보유한 전고체 배터리 관련 특허 수는 2,000 여건에 달하며 경쟁 업체들 대비 월등히 앞서 있다(<그림 52>참조). 특히 일본은 경제산업성 주도로 기술연구조합인 LIBTEC(Lithium Ion Battery Technology and Evaluation Center)을 설립하고 2018 년부터 전고체 배터리만을 목표로 하는 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 프로젝트(18 년~22 년)가 시작됐다(<그림 54>참조). Toyota 가 보유한 전고체 소재 기술을 기반으로 일본 내 Panasonic, GS Yuasa 등의 배터리 업체, Asahi kasei, Toray 등의 소재 업체들과 대학 및 공공 연구기관 등 총 23 개 기업, 연구기관이 참여해 국가적인 사업으로 연구개발을 진행 중이다. Toyota 는 2025 년까지 전고체 배터리를 상용화시켜 2030 년에는 전기차 주행거리를 800km 까지 늘릴 계획이다.

2010 년에 설립된 미국 스타트업 Quantumscape 는 200 여개의 배터리 관련 특허를 보유하고, Volkswagen 과 Microsoft 창업자인 Bill Gates 가 투자한 업체이다. 지난해 말에는 산화물 고체전해질을 적용한 전고체 배터리 소형 셀 시제품의 평가 결과를 공개하면서 큰 관심을 끌었다. 배터리 양산을 위한 셀 적층화를 성공적으로 구축했고, 15 분만에 80%까지 충전이 가능하며 800 회 충방전시에도 80% 이상의 용량을 유지하는 것으로 나타났다. Quantumscape 는 전략적 제휴를 맺고 있는 Volkswagen 을 시작으로 2025 년 이후 전고체 배터리 상용화를 목표로 하고 있다. Volkswagen 은 ‘Power day’를 통해 궁극적인 목표는 전고체 배터리라고 밝힌 바 있다.

삼성, 현대차 등이 투자한 Solid power(미)는 2027 년 전고체 배터리 상용화 계획을 가지고 있다. 지난해 12 월에는 에너지밀도 330Wh/kg(20Ah, 22 층 적층 구조)인 전고체 배터리 개발을 완료했다고 발표한 바 있다. 현재 전고체 배터리 개발 업체 중 유일하게 기존 리튬이온 배터리 제조 공정과 유사한 5GWh 급 Roll-to-roll 파일럿 생산라인을 구축하고 있으며, 이미 400 개 이상의 시제품을 만들어 여러 완성차 업체들과 함께 성능 검증을 진행 중이다. Solid power 의 전고체 배터리는 자체 기술 기반의 황화물계 전해질, 리튬메탈 음극재를 적용했다. 기술적인 부분에 대해 구체적으로 밝힌 바는 없지만 최근 Doug Campbell CEO 의 인터뷰 내용에 따르면 아직까지 전기차에 적용하기는 이르며, 2026~2027 년경에 전기차용 배터리로 상용화될 수 있을 것으로 언급했다.

 

Roll-to-roll processing (R2R, web processing, 롤투롤 공정)
여러 개의 휘어질 수 있는 플라스틱이나 금속박에서 전자기기를 만드는 것이다. 대형 전자장치에 롤투롤 공정을 사용하면 제조 비용을 줄일 수 있다.

 

최근 대만 Prologium 은 베트남 VinFast 와 전고체 배터리 생산 합작사를 세우기 위해 양해각서를 체결했다. Prologium 은 2013 년부터 전고체 배터리 기술 개발을 시작해 2017 년에는 세계 최초로 전고체 배터리 생산 라인을 구축한 했으며, 2023~2024 년경에 전고체 배터리 양산 계획을 목표로 하고 있다. 다만 Prologium 의 고체전해질은 90% 산화물계+10% 액체전해액으로 이루어진 일명 반고체 배터리로서 완전한 전고체 배터리라고 보기 어렵다. 또한 소량의 액체전해액을 사용한다는 점에서 저온에서의 배터리 동작 특성이 떨어지고 화재가 발생할 수 있다는 문제점들이 여전히 남아있을 가능성이 있다.

국내에서도 삼성이 전고체 배터리 개발에 적극적인 움직임을 보이며 앞서가고 있다. 삼성전자 종합기술원은 지난해 전고체 배터리의 수명과 안정성을 높이는 동시에 셀 크기를 반으로 줄일 수 있는 원천기술을 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재했다(<그림 61>참조). 이 논문을 통해 1 회 충전에 800km 주행, 1,000 회 이상 배터리 충방전이 가능한 Anodeless 전고체 배터리 연구결과를 공개했다. 일반적으로 전고체 배터리에는 음극재로 리튬메탈이 사용된다. 그러나 리튬메탈은 전고체 배터리의 수명과 안정성을 낮추는 Dendrite 현상을 해결해야 하는 문제가 있다. 삼성전자는 이를 해결하기 위해 음극재로 5um 두께의 Ag-C 나노 입자 복합층을 적용한 석출형 리튬음극 기술을 적용했다. 삼성 그룹 내 이차전지 사업을 담당하고 있는 삼성 SDI 는 2023 년 소형 전고체 배터리 셀 시범 양산 후 2027 년 전기차향 전고체 배터리 양산을 추진하고 있다.

LG 에너지솔루션은 고분자계 전해질을 사용한 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. 고분자계 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리 공정을 그대로 활용해 생산이 가능하다는 장점이 있다. 다만 아직까지 고분자계 전해질의 이온이동도가 현저히 낮다는 기술적 난제를 해결해야 한다. 이로 인해 중장기적으로는 황화물계 전고체 배터리 기술 확보까지 나설 것으로 전망된다. LG 에너지솔루션은 지난 3Q20 실적 설명회를 통해 2028~2030 년이 상용화 목표 시점이라고 밝힌 바 있다. 또한 SK 이노베이션은 2019 년 노벨화학상 수상자인 미국 텍사스대 John B. Goodenough 교수와 함께 리튬메탈 음극재 기반의 전고체 배터리 개발을 추진 중이다.

 

3Q20 (Q = Quarter, 분기)
2020년 3분기

 

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Ⅳ. 이차전지 업종 투자 전략

2025 년 전 세계 전기차 배터리 시장 1,400GWh 까지 증가할 전망
당사는 글로벌 전기차 배터리 시장 규모가 2021 년 297GWh(YoY: +100%) 수준에서 향후 2025 년 1,400GWh(YoY: +28%)까지 크게 확대될 것으로 전망한다(<표 10>참조). 전기차 침투율 기준으로는 약 19% 수준이다(<그림 62>참조). 금액 기준으로는 2020 년 186 억달러에서 2025 년 1,316 억 달러까지 증가할 것으로 추정한다. 이는 전세계 전기차 판매량이 2021 년 500 만대(YoY: +72%)에서 2025 년 1,690 만대(YoY: +19%)로 증가하고, 전기차 대당 평균 배터리 탑재 용량은 2021 년 50kWh 에서 2025 년 71kWh 까지 증가한다는 가정을 기반으로 하고 있다. 최근 각국 정부들은 COVID-19 이후 경기부양 대책 일환으로 그린뉴딜 기조를 강조하며 전기차 시장 확대를 위한 지원정책 전략을 강화하고 있다. 향후 전기차 시장의 가파른 성장성에는 의심할 여지가 없다는 판단이다.

 

YoY (Year on Year)
전년 대비 증감률

 

지난해 COVID-19 영향에 따른 전체 자동차 판매 부진에도 불구하고 전기차 시장은 견조한 성장세를 보였다. IEA 도 매년 발간 중인 Global EV Outlook 을 통해 2025 년 전 세계 전기차 판매량이 최소 1,012 만대에서 최대 1,963 만대에 달할 것이라 전망하고 있다. 당사도 지난해 하반기부터 전기차 판매량 전망치를 꾸준히 상향 조정 중이며, 전기차향 배터리 수요 증가폭도 기존 전망치 대비 더욱 가팔라질 것으로 예상한다. 이에 따라 국내 배터리 업종에 대한 지속적인 비중확대 전략을 추천한다.

 

IEA (International Energy Agency, 국제 에너지 기구)
1974년 벨기에 브뤼셀에서 열린 석유 소비와 관련된 회의의 합의에 따라 같은 해에 발족한 국제적 석유 긴급 유통 계획 기구이다. 본부는 프랑스 파리에 있다.

 

하반기 주가 상승을 대비한 배터리 업종에 대한 비중 확대
각국의 탄소중립 선언에 따른 전기차 시장의 가파른 성장은 국내 배터리 업체들의 Capa. 증설과 이익 성장으로 이어질 가능성이 높다. 앞서 언급한 바와 같이 최근 주요 완성차 업체들이 배터리 내재화 움직임을 보이고 있음에도 불구하고 국내업체들이 진입 가능한 시장도 상당히 클 것으로 기대된다. 또한 전기차 성능과 직결되는 배터리의 특성을 개선시키기 위한 배터리 제조사들의 노력이 결국 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 핵심 4 대 소재에 대한 수요 증가 및 시장 확대로 이어질 전망이다. 특히 과거와는 달리 일본 업체들이 특허권을 보유한 일부 전해질 정도를 제외한다면 대부분 이차전지 소재 시장에서 국내 업체들이 기술적인 강점을 지니고 있는 것으로 판단된다. 따라서 국내 배터리 업체들의 소재 수요증가뿐만 아니라 1st Tier 완성차 업체들의 배터리 수직계열화로 인한 유럽, 미국 내 해외 배터리 업체들의 신규 진입도 또 다른 기회 요인이 될 수 있다.

시장조사기관의 주요 이차전지 소재 시장 수요 전망에 따르면 양극활물질은 20 년 60 만 t → 25 년 280 만 t, 음극활물질은 20 년 28 만 t → 25 년 140 만 t, 동박은 20 년 12 만 t → 25 년 75 만 t, 분리막은 20 년 42 억 m2 → 25 년 195 억 m2 수준까지 확대될 것으로 예측된다(<그림 64~67>참조). 반면 올해 국내 양극활물질 5 개 업체 (에코프로비엠, 엘엔에프, 포스코케미칼, 코스모신소재, LG 화학)들의 총 생산 Capa.는 약 24.5 만 t, 동박 3 개 업체(일진머티리얼즈, SK 넥실리스, 솔루스첨단소재)들의 총 생산 Capa.는 약 10 만 t 규모로 추정된다. 이는 국내 배터리 3 사를 주력 고객사로 두고 있는 한국 소재 업체들이 시장 내 가장 높은 기술력과 점유율을 확보하고 있다는 점을 감안할 때 2025 년 수요 전망치 대비 턱없이 부족한 수치이다. 시간이 지날수록 안정적인 소재 수급을 원하는 전세계 배터리 업체들의 공급 요구가 더욱 커질 수밖에 없다. 이를 기반으로 한 국내 소재 업체들의 대규모 Capa. 증설은 중장기적으로 이어질 전망이며, 실적 성장폭 역시 지금의 예상을 뛰어넘을 가능성이 크다.

완성차 업체들이 배터리 업체에 요구하는 사항은 ① 주행 거리 향상, ② 배터리 가격 하락, ③ 충전 시간 단축, ④ 안정성 개선, ⑤ 저온 성능 및 수명 향상이다. 먼저 양극재에서는 에너지밀도를 높이기 위해 양극활물질의 High-nickel 化를 실시하고 있다. LG 에너지솔루션은 현재 NCM622 을 주력으로 공급하고 있는데 2021 년 NCM712 에 이어 2022 년 NCMA 양산을 목표로 하고 있다. 삼성 SDI 도 2021 년 하반기 Gen5(High-nickel NCA) 상용화 이후 2023~2024 년 Gen6 를 출시하며 Nickel 비중을 90%대까지 지속적으로 높여 나갈 계획이다. SK 이노베이션도 최근 NCM811+NCM523/622 이 혼합된 배터리를 판매하고 있고, 2021 년 NCM 811 주력 판매 이후 2022 년에는 NCM9½½ 양산을 목표로 개발을 추진하고 있다. 국내에서 양극활물질을 생산하는 업체로는 에코프로비엠, 엘엔에프, 포스코케미칼, 코스모신소재가 있다.

 

NCM622 (니켈·코발트·망간 비중 6:2:2)

NCM712 (니켈·코발트·망간 비중 7:1:2)

NCMA (니켈·코발트·망간·알루미늄)
※ Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시킨다.

양극재에 High-nickel 이 적용되며 에너지 밀도가 높아지는 상황에서 음극재 측면에서도 기존 흑연에 더해 리튬이온 저장 능력이 우수하고 충전 시간을 단축시켜줄 수 있는 실리콘 음극활물질에 대한 수요가 높아질 수밖에 없다. 다만 실리콘 음극활물질의 경우 부피 팽창에 따른 SEI(Solid electrolyte interphase) 파괴 등의 문제가 발생한다. 이런 문제를 해결하기 위해 음극재에 실리콘 활물질과 CNT 도전재를 섞어 적용하게 된다. 주로 CNT 도전재는 양극재 에너지 밀도 개선을 위한 목적에 초점을 맞혀왔지만, 향후 음극재에도 적용이 확대된다면 시장 규모는 더욱 빠른 속도로 성장할 전망이다. 국내에서 실리콘 음극활물질을 생산해 상용화시킨 업체는 대주전자재료가 유일하며, CNT 도전재는 양극재용의 경우 LG 화학과 나노신소재, 동진쎄미켐이, 음극재용은 나노신소재만이 생산 중이다.

국내 이차전지 소재 업체들은 해외 경쟁사들 대비 앞선 기술력을 확보하고 있어 신규 고객사들의 선택을 우선적으로 받을 가능성이 높다. 특히 유럽 현지에 생산 설비가 갖춰져 있는 경우 Commodity 화 되어있는 이차전지 소재 특성상 지리적 이점을 통해 고객사를 다변화하면서 높은 성장 동력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 유럽 내 생산 설비를 갖추고 있는 업체 중에서는 솔루스첨단소재(동박), 동화일렉(전해액), SK 아이이테크놀로지(분리막) 등의 수혜 가능성에 주목해야 한다. 또한 향후 Capa. 증설 계획이 가장 공격적인 Northvolt 로 소재 공급이 확정된 업체들로는 동진쎄미켐(실리콘 음극활물질, CNT 도전재), 나노신소재(CNT 도전재) 등이 있다.

 

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Appendix. 전 세계 이차전지 Value chain Peer group Valuation table

 

 

 

21/04/28 하이투자증권 Analyst 정원석

 

 

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마치며

 

역시 깊이 파고들수록 이해하기가 만만치 않네요. 그래도 연구원님 의견에 상당 부분 동의합니다. 미래의 방향성은 전고체배터리이고 아직 상용화까지 시간이 걸리기 때문에 국내 관련 업체들과  배터리 3 사인 LG 에너지솔루션, SK 이노베이션, 삼성 SDI 의 실적 성장성은 매우 클 것이라는 점입니다. 중간중간 혼조세가 이어질 수는 있겠지만, 개화하는 시장이기에 결국은 상방으로 가지 않을까 생각해봅니다. 

연구원님은 끝으로 삼성 SDI, 에코프로비엠, 솔루스첨단소재, 코스모신소재, 나노신소재를 언급하셨으니 참고 바랍니다.

 

 

 

감사합니다. 오늘도 많이 배우고 갑니다.😊