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※ 희토류 영구자석의 공급망 현황과 시사점. 네오디뮴 영구자석 NdFdB을 중심으로
Part. 1. 희토류 영구자석의 개념과 활용
● 희토류 영구자석 개요. (1)
영구자석(Permanent magnet)이란 특정 소재를 자화(Magnetization, 자기장 안의 물체가 자성을 띄는 현상)시켜 외부 자기장이 제거되어도 자성을 유지하는 물체를 의미
영구자석은 1916년 일본에서 발명된 KS steel을 시작으로 페라이트, 알니코(AlNiCo)등을 거쳐 1960년대 최초의 희토류 자석인 사마륨코발트(Sm2Co17)이 개발되었으며, 1983년 네오디뮴(Nd2Fe14B) 영구자석이 개발됨.
○ 폐라이트 자석 : 산화철에 바륨, 스트론튬 등 금속 원소를 혼합하여 소결공정(Sintering, 비금속 또는 금속 분말을 가압 성형하여 녹는점 이하의 온도에서 열처리하여 입자의 경계부를 녹여 겹합되어 성형된 모양으로 굳히는 공정, 원하는 재료의 물성을 구현할 수 있음)을 통해 제작된 세라믹 소재.
자력은 약하지만 가격이 저렴하고 화학적으로 안정되어 있고 고온에서도 자력을 유지.
○ 사마륨코발트 자석 : 사마륨코발트 자석은 최고 사용온도가 250 - 300도에 달하여 내열성과 내식성이 높아 주로 고온 환경에서 작동하는 기관차, 선박, 굴착기, 항공기 및 방위산업 분야에서 사용됨.
충격에 약해 깨지기 쉽고, 코발트(65% 비중)로 인해 가격이 비쌈.
○ 네오디뮴 자석 : 개발된 자석 중 가장 강한 자력을 지니고 있으나, 높은 온도에서 자력이 약해지는 단점이 있어 이를 보완하기 위해 중희토류를 첨가해야 함.
구성은 30%의 희토류 원소와 69%의 철, 1%의 붕소로 구성되어 있으며, 희토류 원소로 네오디뮴, 프라세오디뮴과 같은 경희토류와 디스프로슘, 터븀 등 중희토류를 사용
현재는 페라이트, 알니코, 희토류 세 종류의 영구자석이 주로 사용되며, 이 중 자력이 강한 네오디뮴 영구자석과 가격이 저렴한 페라이트가 높은 시장 점유율을 차지하고 있음.
2020년 기준, 중량 기준으로 페라이트가 글로벌 자석시장의 80.7%를 차지하고 있으며, 금액 기준으로는 네오디뮴 자석이 59.2%를 차지.
자료인용 : 한국무역협회 2023. 13호 (2023. 08. 11)
※ LiPF6 제조방식 및 원가비중
LiPF6 제조 시 가장 중요한 원재료는 탄산리튬으로, 결정형(고체형) LiPF6 원가의 86.7%, 액상형 LiPF6원가의 77.7%를 차지하고 있습니다. 참고로 액상형 LiPF6가 고체형(결정형)보다 훨씬 높은 마진율(원가 경쟁력)을 기록하는 이유는 탄산리튬의 사용량이 적고, 고체 LiPF6를 액체로 만드는 공정이 없기 때문입니다.
참고로 탄산리튬의 원가비중은 리튬가격에 따라 달라질 수 있습니다.
(고체형) LiPF6의 경우, 탄산리튬 외에 원재료 원가비중은 삼염화인이 7.8%이며, 불화수소(HF)가 4.9%입니다.
참고로 LiPF6는 액상형과 고체형으로 크게 분류되며,
제조방식(공법)에 따라,
1) 배터리급 탄산리튬 + 무수불화수소 + 폴리인산 공법
2) 공업용 탄산리튬 + 무수불화수소 + 오염화인(또는 삼염화인) 공법
3) 불화리튬 + 무수불화수소 + 오염화인(또는 삼염화인) 공법으로 나뉠 수 있습니다.
참고로 LiPF6 글로벌 1위 업체인 DFD는 2) 공업용 탄산리튬 + 무수불화수소(AHF) + 삼염화인 + 수산화나트륨을 사용하여 LiPF6를 제조합니다.
※ 엔켐, 중앙첨단소재 리튬염 생산시설, 미국 현지화의 의미.
지난달 엔켐 오정강 대표가 한경TV에서 인터뷰하면서 밝힌 북미 리튬염 생산시설에 대한 구체적인 내용이 오늘 기사화 되었습니다.
인터뷰에서 오대표는 “새만금 리튬염 생산시설을 통해 내재화를 속도감있게 서둘러 진행하고, 미국 조지아에도 액상 리튬염 공장을 준비”하고 있다고 밝혔습니다.
이번 이디엘의 미국 조지아 리튬염 공장 건설은 이디엘 뿐 아니라, 엔켐에 있어서도 매우 중요한 사업으로 보여집니다.
핵심 배터리 소재인 리튬염의 미국 현지화 의미는,
1) 북미 현지 고객사 영업활동에 유리
전해액은 특성상 현지화가 필수적이며, 동시에 원소재의 안정적 조달이 매우 중요합니다.
특히 리튬염의 경우 IRA/FEOC에 의해 탈중국화가 필요한 소재임과 동시에 전해액의 핵심 원소재이기 때문에 미국 현지 생산은 고객사들로 하여금 공급안정성에 대한 신뢰를 높여 전해액 영업에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
실제로 엔켐이 북미를 선점할 수 있었던 이유도, 경쟁사 대비 빠르게 미국에 대규모 Capa를 만든 것과 원소재에 대한 수직계열화에 가장 앞서 있기 때문입니다.
이에 더해 핵심 원재료인 리튬염의 일부를 미국 현지화 한다면, 고객사들의 엔켐 밸류체인에 대한 신뢰는 한층 높아질 것으로 보여집니다.
2) 미국 정부의 정책 변화에 선제적으로 대응
미국은 핵심소재의 탈 중국 외에 장기적으로 미국 내 생산을 중요한 정책 목표로 추진 중에 있습니다.
특히 트럼프의 경우 중국에 대한 관세를 대폭 상향하는 것과 같이 관세를 통해 자국산업을 보호하려고 하고 있기 때문에, 미국 내 생산시설은 이러한 트럼프의 정책에 대한 대비적 성격도 지닐 수 있습니다. (미국 대선이 아직까지 4개월 남아 있는 상황에서 누가 승리할 것인가에 대해서 현재 판단하는 것은 다소 이르다고 생각합니다. 정치는 생물이기 때문에 미래는 그 누구도 정확하게 예측할 수 없습니다.)
미국에 현지화 함으로써 이러한 미국의 정책적 변수에 대해 선제적으로 대응할 수 있고, 이는 고객사들에게 공급안정성에 불안요소를 선제적으로 제거하는 효과가 있음.
3) AMPC
미국에서 핵심소재를 생산할 경우 AMPC에 의한 보조금 수령이 가능합니다.
AMPC는 원재료 구매를 제외한, 감사상각비, 인건비 등 고정비에 비례하기 때문에 비용이 많이 들어가는 리튬염은 상대적으로 많은 AMPC 보조금 수령이 가능할 것으로 예상할 수 있습니다.
4) 신기술(액상법)을 통한 원가절감.
리튬염 생산시 최신 신기술인 액상법이 사용하게 될 경우, 원가율을 크게 하락시킬 수 있고 이와 동시에 미국의 AMPC를 받게 된다면 타 경쟁사 대비 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다.
규모의 경제, 수직계열화 및 신기술을 통한 원가절감을 통해 경쟁사 대비 압도적 경쟁력 우위를 유지함으로써 신규업체들의 시장 진입을 사전에 차단할 수 있는 효과도 가지고 있습니다.
이번 리튬염 미국 생산시설 증설은, 기존 계획되어 있던 새만금 1차 5만톤과 2차 5만톤 사이에 미국 3만톤이 추가되어는 것으로 보여져, 이디엘의 리튬염 사업이 보다 속도감있게 진행되고 있음을 확인해 볼 수 있는 소식으로 보여집니다.
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미국 IRA 및 FEOC로 인해 기존 리튬염 제조사였던 중국계 기업들의 공백 발생이 예상됨.
이디엘은 북미 1공장인 조지아 공장부지에 약 3만톤 규모의 자체 리튬염 생산시설을 구축할 예정.
2025년 1분기 설계를 끝내고, 3분기부터 본격적인 착공에 들어가 2026년 말 완공예정.
최대 30% 가량의 경쟁력 있는 가격으로 이디엘로부터 리튬염을 공급받을 수 있으며, 핵심 원재료에 대한 공급 안전성도 확보하게 하여, 북미 현지 고객 수요에 보다 능동적인이고 효율적인 대응체계 마련이 가능해짐.
이디엘 새만금 생산시설은 2025년부터 리튬염 생산을 시작할 예정이며, 전량 북미에 공급될 예정.
새만금 생산시설로 글로벌 수요를 1차 대응하고, 북미 생산시설로 시장 점유율을 확대해 나갈 방침.
https://n.news.naver.com/mnews/article/014/0005214538?sid=101
https://n.news.naver.com/mnews/article/215/0001166954?sid=101
※ 2024년 6월 중국 전기차 판매량
2024년 6월 중국의 전기차 판매량은 104.9만대로 전년동월대비 30.15%, 전월대비 9.84% 증가하였음.
2024년 5월 중국의 전기차용 배터리 생산량은 82.7Gwh로 전년동기대비 46.11%, 전월대비 5.75% 증가하였으며, 설치량은 39.9Gwh로 전년동월대비 51.61%, 전월대비 12.71% 증가하였음.
자료인용 : Huaan Securities 발간 “전력설비 주간 보고서” (2024. 07. 13)
※ 2차전지 섹터에서 더 높은 성장률이 가능한 분야
1. 탈중국 수혜 : 음극재(천연/인조 흑연), 전해액(리튬염, 첨가제), 각형 배터리, ESS용 배터리 밸류체인 등
2. 배터리의 방향성
1) 에너지밀도 증가(주행거리 증가) 및 충전시간 단축 : 46파이 배터리, CTP(셀투팩), 실리콘음극재, 무수수산화리튬 등
2) 안전성 강화(화재 및 배터리 변형 억제) : 각형 배터리, 46파이 배터리, 쿨링시스템 등
3) 배터리 원가 절감 : 셀투팩, LFP배터리, 고전압미드니켈(단결정 양극재) 등
3. ESS 시장 확대 : LFP양극재, 전해액, LiPF6, 건식분리막, 각형 배터리 등
● 탈중국 공급망 구축과 기존 완성차 업체들의 전기차 경쟁력 재고
전기차 시장의 성장이 당초 예상에 미치지는 못하지만, 2차전지 시장의 성장잠재력은 여전히 매우 높다는 것에는 의견이 없어 보입니다.
여전히 성장은 하고 있지만 특히 중국을 제외한 선진국 전기차 시장 성장이 기대에 못 미치는 이유는 여러 가지 요인들이 복합적으로 작용하고 있지만, 다음과 같은 요인이 크다고 봅니다.
1) 유럽 및 미국, 일본의 기존 완성차 업체들의 전동화 전환 준비 부족으로 인한 시행착오 및 경쟁력 있는 모델들의 출시지연
2) IRA/FEOC와 같은 탈중국 공급망 구축으로 인한 전기차/배터리 업체들의 밸류체인 재구성 과정에서 필연적으로 발생할 수밖에 없는 준비기간의 필요성.
전기차 침투율이 40% 이상인 중국의 경우에서 볼 수 있듯, 정부정책의 힘으로 전기차의 급속한 확산이 가능하지만, 미국을 중심으로 한 서구 사회는 급속한 전기차 전환보다는 먼저 탈중국 공급망을 확보하는 것에 정책 우선순위를 두었고, 이러한 과정에서 전기차의 확산속도도 조정되고 있다고 보여집니다.
공급망 분리가 본격적으로 일어나기 이전에는 유럽을 중심으로 탈탄소라는 정책목적 아래서 전기차 전환이 매우 빠르게 추진되고 있었습니다.
전기차의 확산만을 고려한다면 중국 배터리와 중국에서 생산되는 글로벌 완성차 업체들(특히 독일 업체들 및 테슬라)의 전기차에 대한 장벽을 세우지 않는 것이 전기차 확산 속도를 빠르게 만드는 방법이겠지만, 현재 미국을 비롯한 유럽은 전기차 확산보다는 우선 중국에 대한 견제를 우선시 하고 있습니다.
그리고 이러한 서방국가들의 정책은 지금 당장은 전기차 시장의 성장을 제한하는 요소로 작용하고 있지만, 중장기적으로는 중국의 진출을 사전에 억제하는 정책이기 때문에 한국을 비롯한 이들 미국과 유럽 업체들이 향후 시장 점유율을 높일 수 있는 계기를 마련해 줄 수 있습니다.
전기차 확산이 늦어지는 또 다른 이유로는, 미국과 유럽의 주요 완성차업체들의 전기차가 성능적면이나 가격적면에서 기대 이하의 모습(특히 폭스바겐, 벤츠와 포드, 스텔란티스 등) 보여주고 있기 때문입니다. 테슬라나 현대/기아차의 전기차에 비하면 이들 업체들의 전기차 경쟁력이 현저히 떨어지는 모습을 보여주고 있습니다. 만약 독일 및 유럽 업체들의 전기차가 현재 현대/기아차 수준의 전기차에 대한 준비가 되어 있었다면 독일을 비롯한 유럽은 그 어느 지역보다 전기차 확대에 진심이었을 것입니다. (이에 관해 그 어느 기존 기업보다 전기차에 있어 높은 경쟁력을 지닌 현대/기아차를 보유한 한국에서, 정치권의 전기차를 대하는 태도가 다소 아쉽습니다.)
테슬라도 오랜 신모델의 부재로 경쟁력이 점차 약해지고 있는 상황입니다.
자국 전기차 업체들의 경쟁력이 높지 않고, 탈중국 공급망이 완성되지 않은 상태에서 이들은 무역장벽을 통해 자신들이 준비될 때까지 먼저 자국 시장을 보호하는 조치를 취하고 있는 것으로 이해할 수 있습니다.
비록 전기차/배터리의 성장이 시장의 기대에 못 미치는 것은 사실이지만, 이는 전기차의 방향성의 문제가 아닌 준비 과정에서 벌어지는 잠시간의 숨 고르기 기간이라 볼 수 있습니다.
● 2차전지 내에서 더 높은 성장성을 보여줄 수 있는 분야
이러한 시기에 해당 섹터를 투자할 때, 이 상황에서 더 수혜를 볼 수 있는 분야와 기업에 집중하는 것이 좋다고 보고 있습니다.
또한 2차전지의 산업의 방향성 아래서, 2차전지 평균 성장률 보다 높은 성장성을 보여주거나 보여줄 수 있는 곳에서 기회가 나올 수 있다고 보고 있습니다.
반도체 업황이 안 좋아 업체들의 이익이 나오지 않던 시기, EUV에 따른 미세화 공정이라는 방향성으로 관련 업체들이 반도체 섹터가 안 좋은 가운데 차별적 주가흐름을 보여주었던 것과 마찬가지로 2차전지 섹터 내에서도 이러한 차별적 흐름을 보여주는 분야에 주목해 볼 수 있습니다.
탈중국 공급망 구축으로 인해 앞으로 더 큰 수혜를 보는 분야,
그리고 에너지밀도/충전속도 상승, 안전성 강화, 원가절감과 같이 반드시 가야 하는 배터리의 방향성과 전기차 외의 새로운 배터리 분야의 성장 동력이 될 ESS에 수혜를 볼 수 있는 기업들이 보다 높은 시장의 관심을 받게 될 것이며 향후 더 높은 성장성으로 인해 더 좋은 성과를 보여줄 것으로 보여집니다.
※ 46파이 원통형 배터리와 각형배터리 비교
자료인용 : SinoLink Securities 발간 “커다리(科达利) 보고서” (2024. 05. 24)
※ 중국 주요 각형/원통형 Cap, Can 업체 해외생산시설 현황
● 커다리 해외 생산시설 및 고객사
1. 미국 인디애나 생산시설 : 투자금액 4,900만 달러 (2024. 05. 21 투자결정)
잠재 고객사 : 삼성SDI, 테슬라, 포드-CATL 합작공장, LG에너지솔루션, 파나소닉 등
2. 헝가리 생산시설 : 투자금액 7,200만 유로 (2020. 11. 2. / 2023. 09. 06)
고객사 : 삼성SDI (Cap, Can 포함 배터리 구성부품 공급)
고객사 : 노스볼트 (Cap 공급)
3. 스웨덴 생산시설 : 투자금액 5,00만 유로 (2020. 10. 29)
고객사 : 노스볼트 (Can 공급)
4. 독일 생산시설 : 투자금액 9,000만유로 (2020. 03. 13 / 2022. 12. 02)
고객사 : CATL (Cap, Can 공급)
고객사 : ACC (Cap, Can 포함 배터리 구성부품 공급)
● Ningbo Zhenyu Technology 해외 생산시설 및 고객사
1. 헝가리 생산시설 : 투자금액 5,870만 유로 (2023. 07. 19)
고객사 : 미정 (Cap, Can 포함 배터리 구성부품 공급)
자료인용 : SinoLink Securities 발간 “커다리(科达利) 보고서” (2024. 05. 24)
※ 중국 리튬염(탄산리튬&수산화리튬) 수입, 생산, 재고 및 가동률
최근 중국 리튬가격 하락은 계절적 영향도 있지만, 해외 리튬 수입 증가와 탄산리튬 생산량 증가로 인한 재고증가의 영향으로 보여집니다.
호주산 2024년초 크게 감소하였던 리튬정광의 수입이 계속해서 증가하는 가운데, 2023년 하반기부터 시작된 짐바브웨, 나이지리아, 르완다와 같은 아프리카산 리튬정광 수입이 지속됨에 따라 중국의 리튬수입이 증가하고 있습니다.
이와 더불어 중국 탄산리튬 생산량도 2024년 크게 증가하고 있으며, 이에 따라 탄산리튬의 재고량도 증가추세에 있습니다. 특히 탄산리튬 제련업체들의 재고가 빠르게 증가하고 있는 상황입니다.
탄산리튬과 수산화리튬 생산업체들의 가동률도 5월 다소 주춤하기는 하지만 연초대비 빠르게 상승(탄산리튬 기준 70%수준)하면서 이전 가동률을 상당부분 회복한 상황입니다.
2024년 초, 빠르게 하락하던 리튬가격으로 인해 해외와 중국의 리튬 생산/수입량이 빠르게 하락하였으나, 중국 정부의 “이구환신” 정책과 같은 전기차 부양정책이 다운스트림인 전기차 시장의 성장보다 다운스트림인 탄산리튬 생산증가속도가 빨라지면서 탄산리튬의 과잉생산으로 이어져 최근 리튬가격의 하락으로 연결되고 있는 모습을 보여주고 있습니다.
자료인용 : MinMetal Securities 발간 “신재생에너지 산업 보고서” (2024. 07. 03)
※ 전기차의 미래 : 이동수단에서 거주공간으로
개인적으로 2차전지 투자를 결정한 가장 큰 아이디어는 전기차가 인류의 라이프스타일을 바꿀 수 있는 잠재력이 있다고 보았기 때문이며 그 생각은 여전히 유효합니다.
때문에 캐즘이나, 2차전지를 경기순환주로 보는 견해, 트럼프 이슈, 친환경정책 후퇴와 같은 정치적 노이즈 등에 크게 신경을 쓰지 않고 인류의 라이프스타일을 변화시킬 장기 성장산업이라는 측면에서 산업을 바라보고 있습니다.
특히 2차전지(전기차)는 인류의 라이프스타일을 바꿀 수 있는 잠재력을 지닌 산업이고, 국내 업체들이 글로벌 선두권의 지위를 가지고 있는 산업이라는 점에서 흔치 않은 기회로 여기고 있습니다.
글로벌 성장산업에서 국내 업체들이 초기부터 시장의 주도적 플레이어로써 산업을 리딩 해본 경험이 많지 않다는 점도 국내 주식시장이 2차전지 섹터에 대해서 갈피를 잡지 못하는 한 요인이라고 보고 있습니다.
때문에 시장에는 2차전지에 대한 강한 확신을 가진 투자자들과 매우 회의적인 시각을 지닌 투자자들이 공존하고 있는 것으로 보여집니다.
만약 다른 혁신 산업들(인터넷 혁명, 아이폰, AI)처럼 미국이 주도한 산업이었다고 하면 배터리 산업에 대한 국내 주식시장의 시각도 지금과는 많이 달랐을 것이라고 보고 있습니다.
● 전기차의 미래 : 이동수단에서 거주공간으로 확대
전기차의 미래는 이동수단에서 또 다른 거주공간으로 확장되는 과정에서 인류의 라이프스타일을 바꿀 것이라고 보고 있습니다.
자유로운 내부공간의 활용과 전기의 활용은 전기차가 거주공간으로 확장될 수 있게 만들어주는 핵심이며, 이는 엔진 기반의 내연차량과 하이브리드차, 수소차로는 이루기 어려운 방향입니다.
엔진 가동 없이 자동차의 우수한 공조장치와 각종 전자기기를 자유롭게 사용할 수 있는 특수한 개인공간이 생긴다는 장점은 인류의 라이프스타일을 바꿀 수 있는 거주공간의 혁명으로도 연결 될 수 있다고 보고 있으며, 이로부터 파생될 수 있는 부가가치는 스마트폰 혁명을 뛰어넘을 수 있다고 보고 있습니다.
전기차는 동력기관(배터리와 모터)을 바닥에 평평하게 배치하고 바퀴 사이(휠간격)를 최대한 넓혀 공간 활용성을 극대화 시킬 수 있습니다. 기존 내연차가 여러 장치들을 자동차의 여러 공간에 넣음으로써 시트가 고정된 것과 달리 전기차는 배터리 위로 자유로운 구조물의 배치가 가능하게 되었습니다.
아직까지 많은 완성차 업체들이 제대로 된 전기차 플랫폼을 갖추고 있지 못해 공간활용이 최적화된 전기차들을 보기 어렵지만, 현대차그룹의 차세대 전기차 플랫폼인 eM(승용)/eS(상용)는 이러한 공간활용이 방향성을 잘 나타내 주고 있습니다.
현재 여러 전기차에 적용되고 있는 V2L은 차량 내 자유로운 전기의 사용을 가능하게 함과 동시에 전기저장을 할 수 있는 거대한 보조배터리(ESS)의 역할을 함으로써 전기차를 운송 목적 외에 다양한 용도로 활용할 수 있는 길을 열어 줄 것입니다.
이미 차박이나 긴급 보조전원 등으로 다양한 용도로 활용되고 있습니다.
● 전기차의 공간 활용성을 보여줄 eM/eS 플랫폼
현대차의 eM플랫폼을 적용한 첫 번째 전기차가 될 제네시스 네오룬(GV90)은 전기차 공간활용의 가능성을 보여줄 것입니다.
또한 eS플랫폼은 현대기아차의 PBV(목적기반차량)에 적용되어 자동차가 단순한 상업용 이동수단이 아닌, 상점, 식당, 카페와 같은 상업적 공간으로 활용되고, 자동화된 물류 시스템의 일부가 되는 방향성을 보여줄 것으로 보여집니다.
아직 컨셉이고 가야 할 길들이 많지만 현대/기아차는 전기차가 가야 할 길을 제시해주고 있고, 이러한 차량들이 여러 시행착오를 거칠 수도 있지만 소비자들이 직접 체험을 함으로써 전기차의 잠재력을 느끼게 될 것이라고 봅니다.
https://www.youtube.com/watch?v=rc2bX83u5To
https://www.youtube.com/watch?v=DgPL89yQmgY
※ 배터리 종류별/사용처별 주요 소재 구성
배터리는 기본적인 소재는 동일하지만, 세부적으로 보면 종류별(삼원계, LFP), 사용처별(전기차용, ESS용)에 따라 소재 구성이 달라지는 특성이 있습니다.
성능이 중요한 전기차용 배터리의 경우 좀 더 다양한 소재들이 사용되는데, 주행거리를 늘리고 충방전속도를 높이기 위해 하이니켈양극재(N8+)와 실리콘음극재 등이 사용되고 이로 인해서 발생하는 부작용(안전성 및 수명저하 등)을 보완하기 위해 세라믹 코팅된 분리막, 각종 전해액 첨가제(과충전 보호, 고온/저온 성능향상 첨가제, 난연 참가제, 가스발생 억제 첨가제 등)와 CNT도전재 등이 추가적으로 사용됩니다.
이에 비해 ESS는 성능보다는 가격경쟁력이 중요하기 때문에, LFP를 많이 사용하며 배터리의 소재들도 가급적 기본 소재만을 사용함으로써 가격경쟁력을 높이는 방향으로 배터리 소재를 구성합니다.
삼원계, LFP, 전기차용, ESS용과 같은 종류별 사용처별 마다 배터리의 구성소재들은 바뀌기 때문에, ESS와 전기차용 배터리의 주요 구성소재들이 어떤 것인지 알고 관련 수혜주를 찾아봐야 합니다.
예를 들어, ESS 배터리의 성장성을 보고 투자결정을 했는데,
LFP배터리에는 LiFSI가 들어가기 때문에 ESS용 LFP배터리 수혜가 LiFSI라고 생각하면서 투자를 하면 안됩니다.
● 양극재
1) 하이니켈 배터리
NCM811(하이니켈) 또는 NCM9+(울트라 하이니켈)
NCM/NCA/NCMA 양극소재 + 수산화리튬
2) 미드니켈 배터리
NCM 523/622 + 탄산리튬
3) 전기차용 LFP 배터리
인산철 + 탄산리튬
LFP의 낮은 에너지밀도를 보완하기 위해, 인산철에 망간을 첨가(LMFP)하여 전압을 높여 주행거리를 높이고자 하는 방향성도 보여지고 있습니다.
4) ESS용 LFP배터리
인산철 + 탄산리튬
● 음극재
1) 하이니켈 배터리
흑연(인조/천연) + 실리콘 (주로 SiOx)
2) 미드니켈 배터리, 전기차용/ESS용 LFP배터리
주로 흑연(인조/천연)
● 분리막
1) 하이니켈 배터리
세라믹 코팅 습식분리막
2) 미드니켈 배터리, 전기차용 LFP배터리
습식 또는 건식 분리막
3) ESS용 LFP배터리
건식분리막
● 전해액
1) 하이니켈 배터리
리튬염 : LiPF6를 베이스로 여러 특수리튬염(LiFSI, LiPO2F2, LiDFOP, LiBOB 등)이 배터리의 특성에 맞게 소량 첨가됨.
용매 : 기본용매인 PC, EC, DMC, DEC, EMC를 기반으로 특수용매인 Carboxylic Acid Ester, Sulfurous Acid Oil, 불화용액용매 등이 첨가됨.
첨가제 : 기본 첨가제인 VC/FEC를 기반으로 SEI 형성 첨가제, 가스발생억제 첨가제, 과충전보호 첨가제, 고온/저온 성능향상 첨가제, 난연참가제, 충방전율 향상 첨가제 등 다양한 첨가제들(많게는 십여 개 이상)이 함께 사용됨.
2) 미드니켈 배터리
리튬염 : LiPF6 위주로 사용됨.
용매 : 기본용매인 PC, EC, DMC, DEC, EMC 위주로 사용됨.
첨가제 : 기본 첨가제인 VC/FEC를 기반으로 배터리/전기차의 특성에 맞게 2-3개 정도의 첨가제가 함께 사용됨.
3) 전기차용 LFP 배터리
리튬염 : LiPF6를 베이스로 계면저항을 낮춰 이온전도도를 높여주기 위해 LiFSI를 소량 첨가함.
용매 : 기본용매 사용
첨가제 : 기본첨가제인 VC/FEC를 기반으로 전기차 특성에 맞게 다양한 첨가제가 함께 사용됨.
특히 저온특성 개선을 위한 첨가제 등이 들어가며, 인산철배터리의 문제점인 낮은 이온전도도를 보완하기 위해 FEC가 많은 양 첨가됨.
4) ESS용 LFP배터리
리튬염 : LiPF6 사용
용매 : 기본용매 사용
첨가제 : VC/FEC 위주로 사용
※ 주요 기사 정리 #4. (2024. 06. 24. – 2024. 06. 30)
● LG에너지솔루션, 미국 ESS용 공장 건설 잠정 중단
https://n.news.naver.com/mnews/article/015/0005003151?sid=101
LG에너지솔루션은 미국 애리조나주 퀸크릭에 짓고 있는 ESS용 파우치형 LFP배터리 17Gwh 생산시설의 건설을 잠정 중단하였습니다.
함께 진행 중이던 4680 원통형 배터리 공장(36Gwh)은 예정대로 2026년을 목표로 건설될 예정입니다.
LG엔솔의 애리조나 ESS용 LFP배터리 생산시설 건설 잠정보류는 LG에너지솔루션의 ESS사업 축소가 아닌 글로벌 생산시설의 재조정 의사결정 과정에서 나온 것으로 추정됩니다.
현재 전기차의 성장이 예측보다 다소 더디게 진행되고 있고, LG에너지솔루션의 기존 혹은 예정 된 글로벌 배터리 생산시설의 여유공간을 우선 활용하는 방안을 고려 중인 것으로 보여집니다.
예를 들면, 중국 난징 공장의 일부 전가차용 배터리 라인(NCM 미드니켈 라인)을 ESS용 LFP배터리 라인으로 전환하는 것과 같이, 기존 전기차 배터리 시설의 일부 라인을 ESS용 라인으로 전환하거나 예정된 신규 생산시설의 일부 라인을 ESS용 라인을 설치하는 방법 등입니다.
(예, 6개 라인 중 2개라인을 원통형, 2개 라인을 파우치형, 2개 라인을 ESS용 등)
또한 미국 대선도 일부 영향을 주고 있는 것으로 보여지는데, 미 대선 이후 배터리 생산시설들에 대한 운영 계획이 확정될 듯 보여지며 이 과정에서 원통형, 파우치형, 각형, ESS용 LFP 라인 등이 구체화 될 것으로 보여집니다.
예를 들어, 중국에 대한 미국과 유럽의 견제가 더 강해지면 미국이나 유럽에서의 ESS 라인을 증설하고, 만약 대중 견제가 생각보다 덜하다면 중국에서의 LFP 생산라인을 확대시키는 등의 다양한 전략을 고민 중일 것으로 예정됩니다.
이번 LG엔솔의 미국 애리조나 ESS 생산시설 건설 보류결정은 미국 대선과 글로벌 생산시설 재분배 등을 고려한 조치로 보여지며, LG엔솔이 미국에서 ESS 사업을 축소한다는 의미는 아닌 것으로 보여집니다. 언제나 그렇듯 다시 전기차 시장이 예상보다 빠르게 성장할 조짐이 보여지는 등 상황이 변하면 LG에너지 솔루션의 투자계획도 그에 맞춰 변화할 것으로 보여집니다.
※ 주요 기사 정리 #3. (2024. 06. 24. – 2024. 06. 30)
● BMW, 노스볼트 배터리 주문 최소
https://n.news.naver.com/mnews/article/029/0002882697?sid=101
배터리는 정밀화학(Fine Chemicals Industry)을 바탕으로 매우 민감한 소재를 다루기 때문에 양산이 매우 어려운 산업입니다.
R&D단에서 성공한 기술이 양산단계로 접어들면 수많은 문제점을 발생시키며 적자가 누적되어 사업을 지속하기 어렵게 만드는 경우가 많습니다. 때문에 시행착오를 충분히 겪어 보지 못한 신규업체들이 배터리 산업에서 자리를 잡기 어렵습니다.
LG에너지솔루션도 폴란드에서 수율을 잡기 위해 3년 이상을 고생하였고, SK온도 아직까지 유럽 헝가리 공장에서 수율을 잡는데 고생을 하고 있는 상황입니다.
업력이 오래된 기존 업체들도 수율을 잡기 위해 수많은 어려움을 겪는데, 신생업체들의 경우 그 정도는 심하면 심했지 덜하지는 않을 것입니다.
때문에 미국의 리비안이 배터리 내재화를 포기하였고, 테슬라도 내재화에서 서서히 발을 빼는 모습을 보이는 것으로 보여집니다.
유럽의 신생 배터리 업체들 노스볼트, ACC, 베르코어 등도 계획보다 배터리 양산이 늦어지는 이유도 이와 같다고 추정해 볼 수 있습니다.
중국의 경우, 국가가 보조금을 통해 손실을 최대한 보상을 해주는 구조를 지니고 있어 수율이 나오지 않더라도 계속 생산을 지속하면서 수율을 높이는 방법을 사용해 왔고 이를 통해 상대적으로 빠르게 양산성을 맞춰나갈 수 있었습니다.
이 부분도 중국 내에서는 가능했을 지 모르지만, 해외에서 배터리 공장을 운영할 때 과연 현지 인력과 인프라 환경 등을 고려했을 때 가능할지 의문이 있습니다.
실제로 유럽에 진출한 중국 배터리업체들의 공장이 높은 생산성으로 돌아가고 있다는 얘기는 아직까지 듣고 있지 못합니다.
오히려 유럽에 진출한 중국 배터리업체인 S-VOLT는 유럽에서의 배터리 생산 계획을 철회하였고, CATL도 규모를 축소하고 있는 상황입니다.
자본력을 바탕으로 규모의 경제를 추구하는 중국 업체들이 유럽지역에서의 배터리 생산계획을 철회, 축소하는 이유를 생각해봐야 할 것입니다.
중국을 제외한 타 업체들은 손해를 보면서 배터리를 생산할 수 없기 때문에, 수율이 나오지 않으면 사업을 지속하기 어렵습니다. 특히 유럽 신생업체들은 이러한 압박이 더 심할 수밖에 없습니다.
소재를 포함하여 배터리 산업은 기술도 중요하지만 고객의 요구사항에 맞는 품질을 합리적인 가격에 대량생산할 수 있느냐가 핵심인 사업입니다.
이미 유럽과 미국과 같은 해외에서 충분한 시행착오를 거치며 양산에 성공한 한국 배터리 및 소재업체들의 경쟁 우위는 앞으로도 계속될 가능성이 높으며, 중국 산 배터리에 대한 유럽과 미국의 규제가 강화될수록 한국 업체들의 경쟁력 우위는 더 높아질 것으로 보여집니다.
※ 주요 기사 정리 #1. (2024. 06. 24. – 2024. 06. 30)
주간에 보도되었던 주요 기사들에 대한 개인적인 생각을 최대한 짧게 정리해보고자 합니다.
주중에 시간 관계상 정리하지 못했던 내용들을 주말에 정리하여 올리는 것으로, 개인적 생각이기 때문에 잘못된 내용도 있을 수 도 있고, 개인적인 호불호에 위해 과장과 축소도 있을 수 있기 때문에 한 개인의 생각으로 여기시고 참고만 하시기 바랍니다.
● 테슬라, 4680 배터리 내재화 중단 가능성
https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=356696
테슬라는 지난 수년간 건식전극공정을 적용한 4680배터리, 사이버트럭, FSD등 업계 최초의 신기술로 산업의 방향성을 제시하는 프론티어로서의 입지를 다져왔으나, 양산기술의 부족으로 배터리 내재화와 사이버트럭 양산에 애를 먹고 있는 중입니다.
자율주행도 현재 테슬라의 스케줄보다 계속 미뤄지고 있는 상황입니다.
과거 테슬라의 주가가 고공행진을 하고 시장에서 자금조달이 원활 할 때는 풍부한 자금력을 바탕으로 시간이 걸리더라도 신기술들을 밀어붙일 수 있었지만, 현재 테슬라에 대한 위기감이 증폭되며 이전만큼 자금조달을 수월하게 할 수가 없는 시기가 되었습니다.
또한 미국은 현재 AI로 인한 기술혁명이 주요 화두로 떠올랐기 때문에 테슬라로서도 AI라는 미국 자본시장의 흐름에 거스를 수는 없는 상황입니다.
자본조달이 수월하지 않는 상황에서 테슬라는 기존 자원의 효율화를 꾀할 수밖에 없고, 이는 사업의 우선순위 변경으로 이어지고 있는 모습을 보여주고 있습니다.
즉, 한정된 자원을 자율주행과 같은 AI 분야(엔비디아 GPU구매)에 더 투입을 하고 대신 성공이 불확실한 배터리 내재화의 우선 순위를 뒤로 미루는 결정을 하고 있는 것으로 보여집니다.
또한 양산성이 안 나오고 만들수록 적자가 커지는 구조인 사이버트럭 대신 자율주행을 위한 중소형 전기차(로보택시, 모델2 등)로 무게중심을 이동하고 있는 것으로 보여집니다.
테슬라는 모델 3이후 차세대 전기차로 사이버트럭에 올인 함으로써, 신규모델 대응이 늦어졌고 이는 현재 테슬라 전기차 경쟁력 하락의 주요 원인으로 작용하고 있습니다.
테슬라의 4680배터리 내재화 중단 가능성은 사업적 측면에서 매우 합리적인 선택으로 보여집니다. 그리고 향후 테슬라의 배터리 수급은 LG엔솔, 파나소닉, 삼성SDI와 같은 업체로부터 이뤄질 수밖에 없습니다.
한번 내재화의 길에서 이탈한 이상 테슬라의 배터리 내재화는 앞으로 재추진 되기 어려울 것이며(해당 조직 약화, 배터리 기술격차 확대 등), 타 완성차 업체들과 마찬가지로 배터리는 앞으로 배터리업체로부터 수급 받는 현상이 계속 이어질 것으로 예상됩니다.
※ AI데이터 센터와 에너지 (2)
● AI데이터 센터
슈나이더에 따르면, 데이터 센터에서 사용되는 전력량은 2023년 67GW에서 2030년 164GW로 연평균 13.6% 성장할 것으로 전망.
AI관련 비중은 2023년 22.4%에서 2030년 41.5%로 약 19.1% 증가해 AI가 데이터센터 전력 소모량 증가의 주요 원인임.
전통적인 데이터센터의 전력 소모량은 랙 당 10 – 20KW 전력을 소모하는 반면, AI랙의 경우 랙당 최대 60kW의 전력을 소모함.
데이터센터 전력 소모량 증가는 냉각시스템 시장 성장의 기폭제로 작용할 것.
데이터 센터는 평균 40 – 50%의 전력을 냉각을 위해 사용.
● 태양광 & ESS
2026년까지 신재생에너지 전력생산량은 총 3,199Twh가 증가할 것으로 예상.
재생에너지 중 태양광의 성장세가 높을 것으로 예상하는 이유.
1) 낮은 LCOE로 인해 비용 부담이 적음.
Lazard에 따르면, 태양광의 LCOE는 MWh당 61달러로 육상풍력(50달러) 다음으로 비용 부담이 낮음. 중국의 태양광 과잉 생산으로 LCOE는 더욱 낮아졌을 것으로 추정.
미국 태양광 발전소는 ITC 세액공제를 통해 Capex 30%를 돌려받을 수 있음. 발전효율이 높은 곳이면, ITC대신 PTC를 통해 더 큰 혜택을 받을 수 있음.
보조금과 탄소배출권을 감안하면, 태양광을 선택하는 것이 합리적인 선택.
2) 프로젝트 완공기간이 짧음.
태양광 발전소의 계획-인허가-건설-운영까지의 시간은 약 2 – 4.5년으로 타 발전원 대비 짧음.
풍력은 3.5 – 7년
BNEF는 2024 - 35년까지 약 10년간 미국에서 태양광이 풍력보다 약 2.7배 더 많이 설치될 것으로 전망. (짧은 건설 소요 시간, 적은 건설 비용, 그리도 병목 현상, 공급망 제약 등에서 우위)
3) 하이퍼스케일러들이 가장 선호하는 에너지원
2023년 미국 기업들(하이퍼스케일러 포함)이 구매한 재생에너지의 비중은 태양광 65%, 풍력 35%임.
지난 5년 간 기업들이 구매한 PPA 중 태양광의 비중은 80%로 압도적.
최근 5년간 미국 4개 기업(Amazon, Microsoft, Meta, Google)이 PPA 시장에서 차지하는 비중은 70% 수준. 유틸리티 태양광 수요의 약 40%
글로벌 ESS 시장은 2023년 82Gwh에서 2030년 436Gwh로 성장할 것으로 예상.
주요 성장요인
1) 신재생에너지 투자확대
2) AI 데이터센터 등 신규 수요처 확대
3) 배터리 가격 하락으로 인한 설치 비용 하락
LG에너지솔루션은 2024년 하반기부터 9Gwh의 중국 난징공장에서 ESS용 LFP배터리 양산 시작, 북미 지역으로 판매.
2026년 미국 애리조나 LFP라인(16GWh)의 가동이 시작되며 AMPC 수령도 가능할 것으로 판단.
중장기 관점에서 LG엔솔의 ESS 사업가치는 18 – 39조 원 수준으로 판단.
자료인용 : 미래에셋증권 발간 “데이터는 전력이다” (2024. 06. 25)
※ NMP와 CNT분산사업
NMP(바인더 용매)는 독일의 BASF와 미국 Ashland 양사가 과점하고 있는 매우 고가의 소재로, 양극재 바인더 원가의 70%를 차지하고 있습니다.
때문에 배터리 업체들은 리사이클링 된 NMP를 사용함으로써 배터리의 원가 절감을 위해 노력하고 있습니다.
국내업체로는 엔켐과 재원산업(비상장)이 NMP리사이클링 사업을 진행하고 있습니다.
NMP는 양극재 바인더 외에 CNT 분산액의 핵심원료이기도 한데, CNT 분산액에서 NMP가 차지하는 조성 비율은 약 95%에 달합니다. (원가 비중 80% 이상 추정)
CNT도전재 분산사업에 있어 신규NMP와 리사이클링 NMP 사용여부 또는 혼합 여부가 CNT분산액 가격의 가장 큰 요소가 됩니다.
때문에 CNT도전재 분산사업을 하는 업체들에게 NMP는 매우 중요한 핵심 원재료가 되어, NMP의 수급이 매우 중요합니다. CNT 분산사업을 하는 업체들은 배터리업체로부터 지정된 NMP를 구매합니다.
참고로 재원산업은 삼성SDI에 CNT분산을 하여 공급하고 있습니다.
나노신소재는 SK온에 납품을 하고, LG에너지솔루션(얼티엄)은 LG에너지솔루션이 자체적으로 분산사업을 진행하고 있습니다.
분산된 CNT는 시간이 지나면(3개월 이상) 재응집하는 특성을 지니고 있어, 분산사업은 배터리 업체 인근에서 진행하는 것이 일반적입니다. (현지화가 중요)
CNT 분산사업에 있어 NMP의 비중이 절대적이기 때문에, NMP 리사이클링을 진행하는 업체는 분산사업에 있어 매우 강력한 경쟁력을 확보하게 됩니다.
NMP리사이클링 사업을 통해 고가의 NMP를 매우 저렴하게 확보할 수 있기 때문이며, 엔켐과 재원산업이 이 분야에서 높은 경쟁력을 지닐 수 있는 요인이 됩니다.
엔켐이 전해액 외에 신규산업으로 CNT도전재 분산사업에 진출할 수 있는 이유도, NMP리사이클링 산업과 CNT도전재 분산이 매우 강력한 시너지를 낼 수 있기 때문입니다.
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양극재 슬러리는 NMP와 양극 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합물로, NMP는 양극활물질 슬러리 제조 과정에서 사용되는 유일한 유기용매 소재임.
글로벌 NMP시장은 소수 업체들이 독점적 지위를 바탕으로 매우 고가에 판매되고 있어, 고품질의 NMP 리사이클링 소재에 대한 수요는 매우 큰 상황임.
CNT는 도전재 분산액에 사용되는 소재로 카본블랙 등에 기존 소재 대비 전기적, 열적, 기계적 특성이 우수해 카본블랙의 20% 함량만으로도 동일한 성능을 낼 수 있어, 배터리의 에너지 밀도 향상에 크게 기여할 수 있음.
https://www.newsis.com/view/NISX20240626_0002787303
※ 희토류 영구자석의 공급망 현황과 시사점. 네오디뮴 영구자석 NdFdB을 중심으로
● 요약
1960년대 사마륨코발트(SmCo) 자석에 이어 1980년대 네오디뮴(NeFeB) 영구자석이 개발되면서 희토류를 이용한 영구자석이 본격 사용되기 시작하였음.
네오디뮴 영구자석은 페라이트 자석의 5 - 12배에 달하는 자력을 지니고 있어 제품의 경량화, 효율화를 주도하고 있음.
특히 전기차의 구동모터와 풍력발전기 터빈의 핵심 부품으로 네오디뮴 자석의 수요는 2020년 11.9만톤에서 2050년 75.3만톤으로 증가할 것으로 전망.
중국은 영구자석 공급망의 안정적 원료 확보 및 장기간에 걸친 투자와 축적된 기술력을 바탕으로 글로벌 네오디뮴 영구자석 시장의 92%를 점유.
특히 영구자석이 고온에서도 자기특성을 유지하기 위한 디스프로슘, 터븀 등 중희토류의 첨가가 필수적인데, 중희토류는 전량 중국에서만 생산되고 있음.
중국은 희토류에 대한 국가 통제를 강화하고 있고, 제조 기술 또한 수출금지 대상에 포함시키는 등 희토류와 영구자석을 전략 무기화하려는 움직임을 보여주고 있음.
이에 미국, EU, 일본 등 주요국은 영구자석 공급망 내재화를 위해 노력 중에 있음.
미국은 4대핵심품목(배터리, 반도체, 핵심광물, 의약품) 공급망 검토 행정명령 이후 국방물자 생산법(DPA)에 근거한 자금 지원을 통해 희토류 제련시설과 중희토류 분리시설을 자국 내에 구축하고 있음.
EU는 영구자석 및 희토류에 대한 R&D 투자를 확대하고 유럽 핵심광물 협의회를 결성하여 역내 영구자석 제조 활성화 및 경쟁력 강화에 적극 나서고 있음.
일본은 네오디뮴 영구자석을 최초로 개발한 국가이며, 관련하여 확고한 기술적 우위를 점하고 있음.
일본은 영구자석 생산거점 다변화를 상당히 진척한 상태임.
한국은 현재 소결이 완료된 자석을 수입해 일부 후공정을 국내에서 시행하고 있는 단계임.
최근 영구자석의 중요성이 부각되면서 한국도 국내에 독자적인 생산설비를 구축하고 있음.
자료인용 : 한국무역협회 2023. 13호 (2023. 08. 11)
※ LiPF6 제조방식 : 고상법(결정형), 액상법
LiPF6 제조 시 가장 중요한 원재료는 탄산리튬으로, 결정형(고체형) LiPF6 원가의 86.7%, 액상형 LiPF6원가의 77.7%를 차지하고 있습니다. 참고로 액상형 LiPF6가 고체형(결정형)보다 훨씬 높은 마진율(원가 경쟁력)을 기록하는 이유는 탄산리튬의 사용량이 적고, 고체 LiPF6를 액체로 만드는 공정이 없기 때문입니다.
참고로 탄산리튬의 원가비중은 리튬가격에 따라 달라질 수 있습니다.
(고체형) LiPF6의 경우, 탄산리튬 외에 원재료 원가비중은 삼염화인이 7.8%이며, 불화수소(HF)가 4.9%입니다.
참고로 LiPF6는 액상형과 고체형으로 크게 분류되며,
제조방식(공법)에 따라,
1) 배터리급 탄산리튬 + 무수불화수소 + 폴리인산 공법
2) 공업용 탄산리튬 + 무수불화수소 + 오염화인(또는 삼염화인) 공법
3) 불화리튬 + 무수불화수소 + 오염화인(또는 삼염화인) 공법으로 나뉠 수 있습니다.
참고로 LiPF6 글로벌 1위 업체인 DFD는 2) 공업용 탄산리튬 + 무수불화수소(AHF) + 삼염화인 + 수산화나트륨을 사용하여 LiPF6를 제조합니다.
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리튬인산철의 제조 공정은 다양하며, 크게 고상법(고체)과 액상법(액체)의 두 가지 주요 공정으로 나뉠 수 있음.
고상법은 현재 가장 널리 사용되는 방법이며, 액상법에 비해 제조공정이 상대적으로 쉬움.
그 외 탄소열 환원법(碳热还原法)이 존재하나 주류 공정은 아님.
1. 고상법 (固相法---草酸亚铁工艺路线 ; 옥살산아철공정)
LiOH+FeC2O4 2H2O+NH4H2PO4 = LiFePO4+NH3↑+CO2↑+4H2O↑+CO↑
리튬염 : 탄산리튬 LiCO3, 수산화리튬 LiOH, 초산리튬 CH3COOLi
철 : 옥살산아철 FeC2O4.H2O, 옥살산아철 Fe(CH3COO)2
인 : 인산2수소암모늄 NH4H2PO4, 인산수소2암모늄 (NH4)2HPO4
○ 고상법의 장점 : 현재 가장 많이 사용되어지고 있으며, 공정이 간단하고 양산화가 쉬움.
○ 고상법의 단점
1) 옥살산아철은 순도가 낮고 부산물인 FeSO4가 많아 일정 시간 방치하면 3가철이 많아짐.
2) 옥살산아철 원료 형태를 조절하기 어려워 완성된 리튬인산철의 가공 성능이 좋지 않음.
3) 3가지 원료의 사용으로 인해 혼합물의 균일성 제어가 어렵고, 산화되기 쉬우며 소결로 보호 실린더에 대한 요구사항이 더 높음.
4) 공정과정에서 에너지 소비가 높고 생산주기가 김. 제거된 암모니아가 오염되어 있으면 제품 소성률이 50%미만으로 수율이 매우 낮음.
2. 액상법 (液相法--水热法 ; 수열법)
3LiOH + FeSO4 + H3PO4 = LiFePO4 + Li2SO4 + 3H2O
리튬염 : 탄산리튬 LiCO3, 수산화리튬 LiOH, 초산리튬 CH3COOLi
철 : 황산아철 FeSO4 7H2O
인 : H3PO4
탄소 : 포도당, 자당, 페놀수지, 카본블랙 등
○ 주요 생산 기업 : Dynanonic(德方纳米)
○ 액상법의 장단점.
▷ 장점
1) 원료비용이 저렴하고 품질관리가 용이하며 공정재현성이 우수함.
2) 전기화학적 성능, 특히 저온 성능이 뛰어남.
▷ 단점
1) 리튬의 몰(mol) 투입량이 철의 3배임.
2) 반응기의 온도, 압력, 내식성 등에 대한 요구 사항이 높아 대량 생산이 어려움.
https://zhuanlan.zhihu.com/p/619869809
※ 배터리 폼팩터와 전기차 및 ESS
배터리의 폼팩터는 파우치형, 각형, 원통형으로 나뉘어져 있으며 이들 폼팩터들은 각각의 장단점을 지니고 있습니다.
파우치형은 셀 자체의 공간활용도가 높아 에너지밀도를 높이기 좋고, 가벼우며, 소재(파우치) 가격이 낮다는 장점을 지니고 있으며,
각형은 Vent와 같은 안전장치와 단단한 케이스로 인해 안전성이 높으며,
알루미늄 케이스 자체의 쿨링효과가 뛰어나고 각형 모양의 특성상 셀과 셀 사이에 공기나 액체를 흐르게 하거나 배터리 하단에 액체를 흐르게 하여 배터리 쿨링에 강점을 지니고 있습니다.
또한 각형은 셀 대형화에 보다 적합합니다.
원통형은 생산속도(PPM)이 높아 효율이 좋으며, 니켈도금강판 케이스는 배터리의 팽창에 강한 구조적 특성을 지니고 있어 높은 에너지밀도를 구현하기에 용이합니다.
특히 46파이 배터리는 탭리스(full-tab) 기술을 통해 저항을 획기적으로 낮출 수 있고(10배 감소), 원통형 구조 특성상 배터리 변형에 강해 하이니켈 및 실리콘음극재 적용이 보다 용이합니다.
● 전기차와 폼팩터
배터리 폼팩터는 각각의 장단점을 지니고 있어 각자의 강점을 최대화하고 단점을 보완할 수 있는 영역에서 성장할 것으로 보여집니다.
46파이 배터리는 하이니켈과 실리콘음극재 함량이 높은 고에너지밀도용 배터리에서 강점을 지닐 것으로 보이며, 또한 더 빠른 급속충전이 가능해 고급차량에 사용될 것으로 보여지며
각형은 상대적으로 높은 안전성(외부충격 및 열관리)을 바탕으로 픽업트럭이나 중대형 차량에서 포지션을 높여 나갈 것으로 보여집니다.
파우치형은 단결정 양극재를 채택한 고전압미드니켈를 활용하여 경제형 차량에 탑재될 것으로 보여집니다.
그리고 LFP를 채택한 저가형 차량에서는 파우치형과 각형이 동시에 사용될 것으로 보여집니다.
LFP 배터리에는 원통형 배터리가 여러 측면에 있어 적합하지 않습니다.
● ESS와 각형 폼팩터
최근 시장의 주목을 받고 있는 ESS에서는,
각형이 ESS에 보다 적합한 폼팩터로 여겨집니다.
ESS용 배터리에서 가장 중요한 요소는, 경제성, 장수명, 화재안전성인데,
ESS용 각형은 와인딩 방식으로 높은 생산성이 가능하여 생산원가절감에 적합합니다.
참고로 EV용 각형과 파우치형은 노칭&스태킹 방식으로 전극을 자르고 쌓아 올리기 때문에 수율 및 생산성면에서 와인딩공법 대비 열위에 있습니다.
참고로 ESS용 배터리는 전기차와는 다르게 외부충격으로부터 안전하여 외부충격을 방지/완화하는 여러 구조물들을 생략할 수 있어 비용을 절감할 수 있습니다. (충격 방지보다 열관리를 위한 쿨링 시스템이 매우 중요)
장수명과 화재안전성 측면에서, 가스제거나 열관리가 우수한 각형이 장수명이 필요한 유틸리티용 ESS에 각형이 좀 더 유리한 측면을 지니고 있으며, 화재이슈에 매우 민감한 ESS의 특성상 쿨링에 좀 더 이점을 지니고 있는 각형이 ESS용으로 좀 더 적합한 폼팩터라고 할 수 있습니다.
또한 배터리 셀의 크기를 키워 셀의 수를 줄임으로써 BMS 측면에서도 타폼팩터 대비 좀 더 이점을 지니고 있습니다.
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SK온은 기준 파우치형 배터리에서 프리즘형(각형, prismatic) 배터리로 제품군을 확대하기로 하였으며, 여러 OEM들과 각형 배터리에 대한 공급 계약을 논의 중에 있음.
SK온은 각형 배터리 기술을 확보한 동시에 원통형 배터리 개발도 추진 중에 있음.
https://www.tokenpost.kr/article-186925
※ 파우치 및 각형/원통형 모듈&팩 하우징. (난연플라스틱과 메탈)
배터리 셀을 감싸고 있는 모듈과 팩은 메탈(알루미늄)이나 난연플라스틱으로 하우징 되어 있습니다.
영상에서 설명하듯 외부가 단단한 원통형이나 각형은 메탈로 하우징을 하는 경우가 많고, 파우치형은 난연플라스틱으로 하우징을 주로 합니다.
때문에 테슬라나 BMW, 벤츠 등 원통형, 각형을 사용하는 전기차는 메탈로 팩과 모듈이 하우징 되어 있으며, 파우치 셀을 사용하는 현대/기아차나 GM은 난연플라스틱으로 하우징을 하고 있습니다.
SK온/LG엔솔의 파우치셀을 사용하는 ID.4의 하우징이 메탈인 것에 대해서 해당 영상은 문제를 제기하고 있습니다. 원가절감적 측면에서 메탈을 사용한 것으로 추측해 봅니다.
난연플라스틱이 알루미늄과 같은 메탈 하우징 대비 가격이 높은 이유는 일반 플라스틱이 화재에 취약하기 때문에 겉표면에 난연처리를 하기 때문입니다.
모듈과 팩 하우징은 주로 PP 플라스틱으로 성형을 한 뒤, 플라스틱 표면에 피닷(Pedot)이나 CNT를 도포(분산)하여 플라스틱에 난연성을 부여합니다.
Pedot뿐 아니라 CNT는 매우 고가의 물질로 이들 난연물질이 도포된 플라스틱 하우징의 가격은 매우 높을 수 밖에 없습니다.
파우치가 셀 자체의 재료비(파우치 자체)는 보다 가격경쟁력이 높지만, 모듈과 팩단으로 가면 최종가격이 올라가는 이유가 이러한 고가의 하우징을 사용해야하고, 보다 많은 쿨링시스템과 안전을 위한 구조물들을 포함해야 하기 때문입니다.
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E-GMP 팩과 모듈은 난연플라스틱으로 되어 있음.
폭스바겐 MEB 플랫폼이 난연플라스틱이 아닌 메탈로 하우징을 하는 이유는 더 저렴하기 때문임.
파우치셀은 강성으로 감싸면 안되고 탄성으로 셀을 보호해야 함.
파우치는 외부가 파우치로 감싸져있기 때문에 충돌이 발생 시, 열폭주나 가스발생으로 인한 배터리 화재, 손상 가능성이 상대적으로 높음.
각형이나 원통형은 외부가 강성이 있는 하드타입 케이스로 감싸져 있기 때문에, 모듈이나 팩이 강성이어도 괜찮음.
이에 반해 파우치형은 강성으로 연성인 파우치를 누르면 크게 손상될 수 있음. 탄성으로 충격을 흡수해야 함.
파우치셀을 사용하는 폭스바겐의 ID.4 모듈 구성(메탈 하우징)은 잘 못된 것임.
메탈 하우징이 난연 플라스틱보다 더 저렴하기 때문이며, 배터리에 대한 노하우가 없는 것으로 볼 수 있음.
https://www.youtube.com/watch?v=8Ws-K4tU5hM
※ 전해액 수출입통계 관련
수출입통계 자료에 따르면, 7월 10일 잠정기준 전해액 수출이 크게 감소한 것(전년동기대비 -76%)으로 나타나고 있습니다.
10일치 기준이 무슨 의미가 있겠나 싶지만, 일반적으로 한국에서 만들어지는 전해액 중 전기차용 전해액의 비중은 생각보다 높지가 않습니다.
국내 전해액 업체들의 전기차용 전해액은 주로 미국, 유럽, 중국 등지에서 만들어지며 국내에서 만들어지는 전기차용 전해액은 국내에서 생산되는 일부 전기차 모델이나(이도 상당 부분 국내 업체의 중국 현지 생산 제품 수입), LG엔솔(오창), SK온(서산)의 일부 수출용 전기차 배터리에 국한 되며 수량도 크지 않습니다.
참고로 엔켐은 대부분의 전기차용 전해액을 미국, 유럽(폴란드, 헝가리), 중국에서 생산하고 있고, 동화일렉트로라이트는 일부 전기차용 전해액을 국내에서 생산하여 중국에 수출하고 있고 있습니다. 동화의 유럽 및 미국 공장은 아직 양산 전입니다.
솔브레인홀딩스는 미국, 유럽에서 전기차용 전해액을 생산하고 있고, 솔브레인이 생산하는 국내 전해액 중 대부분은 전기차용 전해액이 아닙니다.
동화일렉트로라이트와 솔브레인이 국내에서 생산하는 전해액의 상당부분은 삼성SDI의 IT용 혹은 Non-IT용(전동공구, 소형 모빌리티 등)에 들어가는 전해액입니다.
2022년과 2023년 삼성SDI는 중국 천진에서 생산하는 배터리의 생산량(주로 IT 및 Non-IT용)을 줄였고, 이에 따라 이들 업체들도 중국 공장에서의 전해액 생산을 줄이고 국내에 있는 전해액 생산시설로 대부분의 물량을 이전하여 해외(중국, 말레이시아 등)으로 수출하였습니다.
이로 인해 2022년, 2023년 동화일렉트로라이트와 솔브레인의 국내 전해액 생산량이 크게 증가했던 이유이기도 합니다. (중국 이전 물량)
10일치 통계자료에 큰 의미를 부여하기는 어렵지만, 국내 전해액 업체들의 수출량이 줄었다고 생각한다면, 전기차용 전해액 물량이 줄었다고 보기보다는 IT나 Non-IT용 물량이 줄었다고 보는 게 보다 타당합니다.
※ 46파이 원통형 배터리의 특징. (안정성 및 에너지밀도 구현에 유리)
대형 원통형 배터리(46파이)는 안전성과 성능에서 잠재적으로 이점이 있지만, 현재 대량 생산이 어렵고 생산원가 절감을 위한 시간이 필요함.
46파이 배터리는 단위 용량이 낮아 단일 셀의 열폭주시 방출되는 에너지의 량이 적으며, 압력의 방출속도가 빨라 각형이나 파우치형 대비 열폭주 확산에 있어 상대적 이점을 가지고 있음.
원통형 배터리는 표면이 곡면이라서 셀과 셀 사이에 자연스럽게 간격이 형성되어 방열에 좀 더 적합한 구조를 지니고 있음.
이에 비해 각형과 파우치형 배터리는 셀사이의 접촉면적이 넓어 방열을 위한 공간이 적어 열폭주 발생시 열이 배터리 전체로 퍼지기 쉬운 구조를 지니고 있음.
또한 원통형배터리는 (니켈도금강판) Can의 강도가 좋고, 권심(젤리롤)구조로 장시간 사용에도 배터리 팽창률이 적은 특징을 가지고 있음. (배터리가 부풀어 오르는 현상이 적음)
각형 배터리의 알루미늄 Can은 장시간 사용시에 캔이 팽창할 수 있기 때문에 정확한 배터리의 수명을 측정하기 쉽지 않음. 파우치형 배터리는 팽창에 더욱 취약한 구조를 지니고 있음.
성능면에서, 원통형 배터리는 실리콘 음극의 팽창에 좀 더 유리하여 이론적으로 더 높은 에너지밀도를 구현할 수 있음.
원통형배터리의 젤리롤 방식의 전극구조는 표면의 팽창력을 균일하게 적용하여 배터리의 손상(주름 형성 등)을 줄일 수 있음.
이에 비해 각형과 파우치형은 R 모서리에서 응력이 집중되어 실리콘음극재로 인한 팽창으로 인해 전극이 손상될 가능성이 상대적으로 높음.
또한 원통형 배터리의 니켈도금강판 Can은 기계적 강도가 높아 음극의 팽창력을 좀 더 수월하게 흡수함과 동시에 녹는점(융점)이 높아 배터리가 더 높은 에너지 밀도를 구현하는데 좀 더 도움을 줄 수 있음.
하지만 현재 46파이 배터리는 하이니켈 등 고성능 소재를 적용할 때, 여전히 해결해야 할 문제가 있는데 원통형구조로 인해 셀의 그룹화 효율이 각형대비 낮아 현재까지는 각형대비 에너지밀도 측면에서 뚜렷한 이점을 보여주고 있지는 못함.
46파이 배터리의 니켈도금강판은 인장 공정에 있어 어려움을 주고 있는데, 원통형 배터리는 강철의 내부식성을 향상시키기 위해 강철을 모두 니켈로 도금해야 함.
니켈 도금 전 강철은 가공이 용이하고, 불량 검출이 쉬운 반면, 니켈도금강판은 불량 검출에 어려움을 지니고 있으며, 인장 과정에서 쉽게 도금 표면이 쉽게 마모되고 파괴되어 금형과 장비를 다루는 기술이 까다로움.
자료인용 : SinoLink Securities 발간 “커다리(科达利) 보고서” (2024. 05. 24)
※ 유럽 로컬 배터리 업체, 지역별 생산시설 증설 계획
기존 한중일 배터리 업체 외에 여러 신생 업체들이 2차전지 투자에 대한 계획을 밝히며 현재 공장을 증설 중에 있습니다.
하지만 최근 여러 뉴스 나오는 것에서 알 수 있듯, 이들 신생업체들의 배터리 양산과 완성차들의 배터리 내재화가 난항을 겪고 있는 상황입니다.
엔지니어 분들도 이들 신생업체들의 양산계획에 매우 회의적인 시각을 가지고 있는 것이 사실입니다. 이들 업체 중 몇몇 업체들은 브리티시볼트가 그랬듯 좌초될 가능성도 농후해 보입니다.
이들 업체들이 계획대로 양산을 하지 못하면, 이들과 함께 계획을 맞춘 완성차 업체들은 배터리 공급처를 변경할 수 있어 이는 한국을 비롯한 경쟁 업체들에게 기회로 작용할 수 있을 것으로 보여집니다.
자료인용 : SinoLink Securities 발간 “커다리(科达利) 보고서” (2024. 05. 24)
※ 2024년 5월 미국 ESS 설치량
2024년 5월 미국의 대형(유틸리티) ESS 설치량은 1.07GW로 전년동월대비 645%, 전월대비 57% 증가하였음.
1월부터 5월까지의 누적 설치량은 2.99GW로 전년동기대비 310% 증가하였음.
2024년 6월 ESS 예상 설치량은 1.76GW로 예상됨.
2024년 연간으로 미국 ESS 예상 설치량은 14.5GW로 전년대비 128% 증가할 것으로 예상됨.
자료인용 : PingAn Securities 발간 “전력설비 주간보고서” (2024. 07. 07)
※ 배터리 시장 트렌드의 변화 : 폼팩터 다변화
아직까지 주식시장에서는 크게 주목하고 있지 않지만, 현재 배터리 산업 내에서 매우 주목할 만한 변화가 감지되고 있는데, 바로 폼팩터의 다변화입니다.
기존 완성차 업체들은 각각의 전략에 따라 편중된 폼팩터를 사용해 왔습니다.
테슬라는 CATL의 LFP배터리를 채택하면서 각형 비중이 높아졌으나, 업계에서 유일하게 높은 원통형 비중을 가지고있고,
GM, 포드, 현대/기아차는 파우치형 배터리의 비중이 높고,
스텔란티스, BMW, 도요타는 각형 배터리의 비중이 높으며,
폭스바겐, 르노, 벤츠는 파우치와 각형배터리의 비중이 비슷한 편입니다.
이들 주요 완성차업체들 중, 파우치 비중이 높았던 업체들이 최근 각형 배터리에 대한 니즈가 높아지고 있고 이러한 고객사들의 요구에 따라 파우치를 주요 폼팩터로 제조하였던 LG에너지솔루션과 SK온이 46파이 원통형 배터리 외에 각형배터리로도 폼팩터를 확장하고자 하고 있습니다.
● LG에너지솔루션, SK온의 각형배터리 개발
LG에너지솔루션은 GM과 함께 파우치형 배터리를 통해 2009년 볼트EV를 만든 전기차 배터리의 선두업체로 파우치형 배터리의 산 증인이라 할 수 있습니다.
그런 LG에너지솔루션도 2, 3년전부터 각형배터리 개발을 시작하였으며 최근 고객사들의 강한 푸시로 인해 개발 속도를 빠르게 높여가고 있는 상황으로 보여집니다.
SK온도 각형배터리 개발을 잠시 멈췄다가, 최근 고객사들의 요구에 따라 각형배터리 개발에 총력을 기울이고 있는 것으로 알고 있으며 46파이 원통형배터리 기술이 LG에너지솔루션과 삼성SDI 대비 뒤쳐지는 SK온은 훨씬 더 다급한 상황으로 보여집니다.
● 각형 배터리의 장점
최근 완성차 및 배터리 업체들이 각형배터리에 관심을 집중하고 있는 이유는,
1) 열전이 문제 : 화재 시 프로파게이션(열전이)에 파우치형 배터리가 취약한 구조를 지니고 있는데 반해 각형 배터리는 폼팩터의 형태(셀과 셀 사이의 에어 또는 액체를 통한 쿨링구조)가 배터리 전체를 쿨링하기 좋은 형태를 지니고 있습니다.
이에 반해 파우치는 배터리에 쿨런트(실리콘 등)를 통해 보완하고자 하고 있으나 폼팩터의 구조적 문제로 한계를 가지고 있습니다. 모듈에 많은 구조물들을 넣어 보완할 수 있지만 이럴 경우 생산 단가가 높아지는 문제점이 있습니다.
2) 안전성 문제 : 각형은 외부가 단단해서 외부 충격에 강한 특성을 지니고 있습니다. 이런 이유로 모듈 단계를 생략한 셀투팩, 셀투샤시, 세투바디에 좀 더 적합한 특성을 지니고 있습니다. (주행거리 상승, Cost 절감)
3) Vent, PTC, CID 등 물리적 안전장치로 열관리가 효율적입니다. 우수한 열관리는 배터리의 원래 성능을 구현하는데 훨씬 유리한 장점을 지니고 있습니다.
각 폼팩터 마다 장점과 단점이 교차하고 있지만, 결국 최근 완성차 업체들이 각형 배터리에 주목하는 이유는 화재 시 안전성(탈출 시간 확보)가 가장 큰 이유로 보여집니다.
각 폼팩터는 각자의 시장 요구에 맞게 다양한 수요처를 찾아나갈 것이며, 어느 순간 각 폼팩터의 기술적 단점이 극복되면 또 다시 시장의 주류 폼팩터도 변할 수가 있습니다.
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SK온은 최근 확보한 신규 수주에 각형 배터리를 납품하기 위한 양산 개발을 추진하고 있음.
주력 폼팩터였던 파우치가 안전성과 가격 문제에 문제점을 타나내면서, 신규폼팩터로 공장 가동률을 올리기 위한 프로젝트에 나섰음.
SK온은 2022년 각형 배터리 개발을 시작하였음.
그러나 지난해와 올해 46파이 원통형배터리 개발에 좀 더 집중하다, 최근 전기차 시장에서 각형 배터리에 대한 수요가 높아지자 인력을 재배치해 관련 조직 설립을 진행 중에 있음.
각형 배터리는 단단한 외관으로 안전성이 높으며, CTP, CTC, CTB 기술에 좀 더 적합한 폼팩터로 위상이 높아지고 있음.
단점이었던 에너지밀도와 출력은 사이드터미널과 전극적층공법(노칭&스태킹 공법)으로 개선되고 있음.
SK온이 개발한 각형 배터리는 중국 지리그룹에 공급될 것으로 예상되고 있음.
지리그룹은 중국 지리자동차, 스웨덴 볼보와 폴스타, 영국 로터스 등 10개 브랜드를 산하에 두고 있음.
https://n.news.naver.com/mnews/article/138/0002176676?sid=105
https://www.etnews.com/20240624000237
※ LG에너지솔루션 – 르노 공급계약 및 수혜 소재
이번 LG에너지솔루션과 르노의 공급계약은 기존과 다른 몇 가지 색다른 점이 눈에 띕니다.
1) LFP배터리 적용
2) 파우치 셀투팩 적용
LG에너지솔루션의 이번 르노와의 계약은 최초로 LG엔솔 자체로는 LFP배터리를 전기차에 적용하는 사례이며, 또한 업계에서 파우치를 사용하여 셀투팩 적용도 최초 사례로 보여집니다.
LG엔솔는 르노의 보급형 전기차에 LFP를 적용하였는데, LG엔솔의 LFP기술이 이미 전기차에 적용될 수 있는 수준으로 중국 업체들의 LFP기술과 비교하여 뒤쳐지지 않음을 의미합니다.
오히려 파우치형을 통해 셀투팩을 적용함으로써 각형이 주인 중국에 비해 더 높은 기술수준을 보여줬다고도 볼 수 있습니다.
셀투팩을 적용하여, LFP의 낮은 에너지밀도를 보완하는 방식을 채택하였는데 파우치를 통해 셀투팩을 적용했다는 사실입니다.
파우치형은 각형대비 중량이 낮기 때문에 각형보다 더 높은 주행거리 구현에 유리합니다.
LFP는 특성상 고성능 자동차에서 충방전시간과 출력문제 등에 있어 열위에 있으나, 이번 차량은 보급형이기 때문에 고성능을 필요로 하지 않기 때문에 오히려 LFP를 통해 셀투팩이 가능한 것으로 보여집니다.
삼원계 파우치형 배터리의 경우 모듈을 통해 안정성을 보완하고 열관리를 해줘야 하나 LFP는 상대적으로 열관리와 안정성 보완이 용이합니다.
즉, 이번 LG에너지솔루션의 셀투팩을 적용한 LFP 배터리는 셀투팩 적용 외에도 기존 중국의 각형이 아닌 파우치를 사용하여 무게를 더 낮춤으로써 더 높은 주행거리를 확보할 수 있을 것으로 보여집니다.
● 관련 수혜 소재
LFP와 삼원계 배터리의 소재가 달라지는 점은 양극재가 바뀌는 것 외에, 분리막은 좀 더 저렴한 건식분리막을 사용하며, 전해액 첨가제가 VC(삼원계 대비 2.4배 더 필요)나 FEC와 같은 범용 첨가제가 좀 더 많이 사용되며, LiPF6외에도 LiFSI가 일부 첨가됩니다.
마지막으로 이번 LG에너지솔루션의 LFP배터리의 수혜 소재는, 전해액과 전해액 소재업체들이 될 것으로 보여집니다.
전해액은 삼원계 대비 LFP에서 사용량이 150%(미드니켈) - 170%(하이니켈)정도 많기 때문입니다.
전해액이 많이 사용된다는 점은 리튬염(LiPF6, LiFSI)와 첨가제(특히 VC)가 더 많이 사용된다는 점을 의미합니다.
또한 리튬염과 첨가제(VC, FEC)의 공급가격은 삼원계나 LFP나 같기 때문에 실질적으로 이들 전해액 밸류체인에 속해 있는 업체들이 가장 큰 수혜를 볼 것으로 보여집니다.
때문에 LG엔솔의 LFP 배터리 공급계약은 향후 LG엔솔 밸류체인에 속한 전해액/리튬염/첨가제 업체들이 가장 큰 수혜를 볼 수 있을 것으로 보여집니다.
테슬라의 배터리 내재화계획 후퇴와 리비안의 배터리 내재화 철회를 비롯하여 여러 유럽 신생 배터리업체들이 아직까지도 배터리 양산소식이 들려오지 않는 것에서 알 수 있듯 배터리 산업은 진입 난이도가 매우 높은 산업입니다.
기술개발(R&D)도 쉽지 않지만 특히 양산이 어려운 산업으로 신규업체들은 배터리 개발에 성공하였다고 해도 양산과정에서 발생하는 수많은 문제점으로 적자가 누적되며 사업을 지속하기 어려운 환경에 처할 가능성이 높습니다.
테슬라도 현재 이러한 과정을 겪고 있다, 최근 배터리 전극 외주화 및 외주물량 확대로 방향을 전환하는 것으로 보이며, 자원을 자율주행과 AI에 집중하려는 것으로 보여집니다.
글로벌 배터리업계는 상위 6개업체(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온, 파나소닉, CATL, BYD)로 재편될 것으로 보이며, 신규업체들의 설자리는 계속해서 줄어들 것입니다.
배터리와 마찬가지로 소재산업도 업력과 고객사와의 협력 경험(레퍼런스)이 중요한데, 기존 업체들은 오랜 기간에 걸쳐 다양한 사건사고를 겪으면서 노하우를 체득하고 이를 메뉴얼화하여 실시간 대응이 가능하지만 신규업체들은 아직 경험이 부족하여 즉각적인 문제 대처능력이 떨어질 수밖에 없습니다.
장기적으로 소재업체들도 규모의경제와 원가경쟁력을 확보한 소수의 업체들로 재편될 것으로 보이며, 레퍼런스와 수직계열화, 대규모 CAPA 및 원가경쟁력, R&D 능력을 확보하지 못한 신규업체들은 장기적으로 2차전지 생태계에서 살아남기 어려울 것으로 보여집니다.
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※ 배터리 양산이 어려운 이유.
1. 양산단계에서 변수가 너무나 많음.
2005 – 2007년 엘지에너지솔루션(당시 엘지화학)이 양산라인 문제가 있었고, 이를 해결하기 위해 문제점을 찾았는데 약 200개가 넘는 문제점이 발견되었음.
절반이 R&D 과정에서의 문제점, 나머지 절반이 생산현장에서 나오는 문제점이었음.
신규 업체들의 경우 배터리 개발만 하면 양산은 따라오는 것이라고 생각하는 경우가 많은데, 양산과정에서 발생하는 수많은 문제점이 발생함. 이 하나하나의 문제점을 해결하는 것이 기업의 노하우임.
신규업체들이 사업에 뛰어들거나 또는 기존업체라도 무리한 확장을 하는 경우, 여러 부분별 인력부족문제를 비롯한 수많은 문제점이 발생할 수밖에 없음.
2. 고객사(완성차 메이커)마다 배터리에서 요구하는 스펙이 다름.
성능, 안전기준, 품질관리 수준이 다 다르기 때문에 고객사에 맞춰 테스트단계에서부터 디테일한 조정이 들어가는데 신규업체들은 이 단계에서부터 많은 난관에 봉착할 수 있음.
신규업체가 양산까지 성공하는 과정은 매우 매우 어려운 과정이 필요함.
3. 양산 문제에 대한 예.
(1) 안정성 중점을 두고 배터리를 설계하게 되면 에너지밀도가 제한이 될 수 밖에 없음.
개발자는 마진율을 높이는 방향을 추구하고, 마진율을 높이는 방향으로 생산을 하면 수율이 나빠질 가능성이 높음. 이는 모든 배터리업체들이 항상 겪을 수밖에 없는 문제임.
(2) 각 공정의 설비들 마다 공정능력지수인 CPK값이 시간대별로 변화가 있어 CPK값을 시간대별로 조정을 해줘야 함. 시간에 따라 제대로 조정이 되지 않으면 양품이 생산되지 못함.
● 라인관리
라인 당 약 10 - 15명의 관리인원이 필요함. (파우치 조립라인 기준)
최신 배터리 생산시설은(북미 기준) 10 – 20개 라인이 있는데, 이럴 경우 약 200명 정도의 관리인원이 필요함.
이전에는 6 – 7개 라인. (100명이내)
기존 업체들은 오랜 경험을 토대로 여러 기술들이 표준화되어 있어 보다 빠르게 배터리를 개발할 수가 있으며 이는 신규업체와의 차이를 계속 확대시키는 요소임.
● 공정별 특징 및 전극공정의 중요성
배터리 품질을 좌우하는 공정은 전극 공정임.
전극공정은 매우 디테일하게 다뤄야 하는 공정임.
믹싱부문에서는 혼련(잘 섞이는 것), 층분리 등을 잘 컨트롤 하는 것이 중요.
가장 중요한 부분은 코팅공정에서 전체 광폭면(1.2m 이상) 일정한 두께로 코팅하는 것.
롤프레스 공정도 압연을 얼마나 밀도있고 균일하게 해주는 것도 중요함.
조립공정은 파티클 관리 등이 중요한 공정임.
활성화 공정은 셀 성능에 맞는 품질을 컨트롤 해주는 게 중요함. 각 셀 모델별로 활성화 조건이 다름.
● LG에너지솔루션과 중국 배터리산업
중국 배터리 업체들이 LG에너지솔루션이 중국 배터리업체들의 사관학교다 라는 얘기를 많이들 하였음. 중국 업체들의 인력은 LG에너지솔루션에서 나온 사람들이 많음.
초기 LG에너지솔루션 난징 공장은 전극공정 라인이 없었고, 오창에서 전극을 중국으로 보내주었음.
2015년 이후 3공장부터 전극공장을 중국에 설치하기 시작하였음.
중국 공장이 커지면서 많은 인력들이 중국에서 체류하게 되면서, 중국에 R&D센터도 만들게 되었음.
각형 배터리는 중국 배터리업체들도 상당한 노하우를 가지고 있음.
● 양산을 위한 기간 및 스마트팩토리의 어려움
R&D를 완료한 신규 배터리업체가 양산라인을 만들 때까지 최소 3 - 4년의 시간이 필요하다고 보고 있음.
이후 고객사의 요구조건에 맞고, 시행착오를 겪으면서 양품을 양산하는 것은 4년 + 알파의 시간이 필요함.
알파의 시간은 고객사들과의 협업과 시스템에 의해서 결정될 것임.
스마트팩토리가 기대만큼 안되는 이유는 글로벌적으로 포진해 있는 다양한 생산시설들의 장비 및 설비 납품업체들이 각기 다르고 공장마다의 작업조건이 다르기 때문에 스마트팩토리화 할 때 애로사항을 겪고 있음.
스마트팩토리를 위한 파라미터 세팅의 난이도가 매우 높음.
● 매뉴얼화(경험)의 중요성
가장 최신 공장인 노스볼트 공장에서 2023년 말 폭발사고가 발생하여 인명사고가 있었음.
전극에서 집진기 필터를 교체하다가 사고가 발생하였음.
조립공정에서도 용접시 흄가스가 발생하고 이를 잘 포집하고 이를 처리하는 문제 등에서도 다양한 사고가 발생할 수 있음.
한국 기업들도 이전에 이런 사고들을 겪었으며, 신생업체들의 경우 이러한 사고들을 겪을 가능성이 높음.
기존 업체들은 이미 다양한 사건사고를 통해 매뉴얼화가 되어 있음.
LG에너지솔루션이 이런 부분에서 매우 앞서 있음.
BYD도 관리 수준이 높은 편임.
중국 탑티어 업체들(CATL, BYD)은 관리 수준이 높은 데 반해 그 외 업체들은 관리 수준이 느슨한 편임.
https://www.youtube.com/watch?v=XeBSWYSwY84&t=115s
※ 주요 기사 정리 #2. (2024. 06. 24. – 2024. 06. 30)
● SK그룹, AI 및 반도체에 집중
https://n.news.naver.com/mnews/article/003/0012634468?sid=101
SK그룹은 향후 배터리나 바이오 대신 반도체와 AI에 집중할 것으로 보여집니다.
SK는 현재 여러 내우외환 속에 놓여 있으나, 다른 한편으로는 반도체를 중심으로 천재일우의 기회를 맞이하고 있기도 합니다.
이번 AI 반도체 사이클의 결과를 통해 메모리부문에서 SK하이닉스가 삼성전자를 넘어설 수도 있는 기회를 얻고 있습니다. 때문에 현금여력이 풍부하지 않은 SK의 입장에서는 선택과 집중이 필요한 시기이며 반도체와 AI에 그룹의 역량을 집중하는 것으로 방향성을 잡은 것으로 보여집니다.
2차전지에 국한되어 얘기를 하면,
현재 SK온은 위기에 놓여 있으며, 이는 자금부족, 신생업체로서의 양산기술 부족, 배터리/전기차 산업의 트렌드 변화 등 여러 것들이 복합적으로 얽혀서 발생하고 있습니다.
(1) 지난 2021년 SK이노베이션은 LG화학과의 배터리 영업비밀 침해 소송과 관련해서 미국 ITC로부터 최종 패소판결을 받게 되었습니다. SK 배터리 사업 불행의 시작으로 ITC 패소 이후 SK온은 고객사 확보와 같은 영업적 문제, 외부 인력을 통한 기술습득의 문제, 로열티 지급과 같은 금전적 문제들이 발생하기 시작하였습니다. 특히 이전과 같이 가격을 통한 고객사 확대에 급제동이 걸리면서 SK온 배터리 사업 방향성이 근본적으로 흔들린 사건이었습니다.
(2) SK온은 LG에너지솔루션과 같이 모회사인 SK이노베이션으로부터 분할 상장을 하여 투자자금을 만들고자 하였으나, 시기를 놓치면서 만성적인 자금 부족에 시달리게 되었습니다.
초기 투자가 매우 중요한 시기에 시장을 통한 자금조달에 실패함으로써 경쟁사 대비 초기투자
(3) SK온은 경쟁사인 LG에너지솔루션과 삼성SDI가 오랜 시간과 다양한 경험(IT, Non-IT 제품 및 전기차, ESS 등)을 가지고 사업을 진행해왔던 것에 비해 전기차용 배터리를 중심으로 상대적으로 늦은 시기에 배터리 사업으로 뛰어들었습니다.
그러다 보니 특허, 기술, 인력 등에 있어 한계를 지니고 있었고 상대적으로 취약한 사업구조를 지니고 있었습니다. 미국 ITC패소와 SK온의 상장연기는 이러한 문제점을 극복하기 더욱 어렵게 만들었습니다.
그리고 이러한 사업적 취약성은 지금과 같은 일시적인 전기차/배터리 시장 침체에 더욱 두드러지는 모습을 보여주고 있습니다.
(4) SK온의 가장 큰 문제점 중 하나는 제품군이 전기차용 파우치형 배터리에 집중되어 있다는 점입니다.
LG에너지솔루션이 원통형과 파우치, 삼성SDI가 원통형과 각형으로 폼팩터가 다변화되어 있는 것과는 다르게 SK온은 파우치만을 생산하고 있으며, 상대적으로 타폼팩터에 대한 대응(인력, 특허 포함)이 쉽지 않은 상황입니다.
기존의 예상과 같이 파우치형 배터리가 전기차 시장의 대세를 이루는 방향으로 배터리시장이 전개되었으면 큰 문제가 없으나, 최근 배터리의 트렌드가 46파이 원통형 배터리와 각형배터리로 무게중심이 다소 이동하는 모습이 보여지고 있습니다.
이러한 배터리 산업의 트렌드 변화 또한 SK온의 배터리 사업에 좋지 못한 영향을 주고 있습니다.
SK온의 배터리산업에서의 어려움이 국내 배터리 산업의 위축을 뜻하는 것이 아니며, 이로 인해서 새로운 변화가 함께 일어날 것으로 보여집니다.
예를 들면, SK온의 위축만큼 삼성SDI의 성장이 이뤄질 수 있기 때문입니다.
과거 삼성SDI가 SK온과 LG에너지솔루션에 비해 배터리 사업투자에 미온적이었던 이유가 회사의 보수성도 있었지만 당시 배터리산업의 트렌드가 파우치형으로 가고 있었고, 삼성SDI의 주력 전기차 폼팩터였던 각형이 중국 CATL과 같은 거대 경쟁자와의 직접적 경쟁에 노출되어 있었기 때문입니다.
향후 46파이 원통형 배터리 시장과 중국을 배제한 각형 시장이 미국과 유럽에서 열리게 되면 이러한 수혜를 삼성SDI가 크게 받을 수 있기 때문입니다.
실제로 최근 1년간 미국을 중심으로 삼성SDI의 배터리 투자계획이 가장 활발하게 이뤄지고 있음을 확인해 볼 수 있습니다.
전기차 시장의 성장이 시장의 기대에 미치지 못하면서 2차전지에 대한 시장의 관심도 줄어들고 있지만 이 가운데서 매우 큰 트렌드의 변화가 이뤄지고 있습니다. 이러한 트렌드의 변화를 감지하고 대응한 다면 좋은 투자결과로 이어질 것으로 보고 있습니다.
변화는 기회를 뜻하기 때문에, SK그룹의 배터리투자 축소가 악재가 아니고 새로운 기회로 이어질 수도 있다는 점을 생각해보면 좋을 듯합니다.
※ AI데이터 센터와 에너지 (3)
● ESS
Ess 수요증가의 주요 원인
1) 각국의 에너지 전환 관련 정책
2) AI 데이터센터 등 신규 수요처 확대
3) 배터리 가격 하락 가속에 따른 원가 개선
상대적으로 보수적인 IEA의 시나리오(Base case)에 따르면, 글로벌 ESS 누적 설치량은 23년 86GW에서 30년 760GW로 9배 증가할 것으로 전망. Bull Case는 1,200GW.
2023년 유틸리티용 ESS는 26GW였으며, 이 중 신재생에너지 관련 ESS가 20GW를 차지하였음.
유틸리티용 ESS는 2023년 26GW에서 2030년 100GW로 74GW 증가할 것으로 IEA는 전망하고 있음.
2023년 글로벌 ESS설치량은 41GW였으며, 이 중 중국이 23GW, 미국이 8GW였음.
2030년 미국의 유틸리티용 ESS 시장 규모는 28GW로 증가할 것으로 전망. (중국 45GW)
● 미국 ESS 시장
미국 ACP에 따르면, 2023년 8월 IRA가 통과된 이후 1년 간 청정에너지 투자 금액이 2,700억 달러, 프로젝트 규모 185Gwh로 5개월만에 금액 80%, 용량기준 92% 증가하였음. (2023년 4월 수치, 각각 1,500억 달러, 96Gwh 수준)
ESS관련 IRA 규정
1) 독립형 스토리지 ITC : 2032년까지 독립형 스토리지에 대해서는 소비자가 투자한 금액의 30%를 세액 공제해줌. (주거용 3kWh이상, 상업용 5kWh이상)
2) 첨단 제조 세액공제 : 미국에서 ESS 배터리 양산 시 첨단 제조 세액공제(45X)에 따라 배터리 업체가 AMPC를 받음.
배터리 모듈 생산 시 10달러/kWh, 배터리 셀 생산 시 35달러/kWh의 인센티브가 제공.
● 배터리 가격 하락과 ESS 수요 증가
2023년 글로벌 리튬이온 배터리 팩 가격은 2022년 대비 14%하락한 140달러/KW 였음.
배터리 원재료 가격하락에 따른 리드타임 고려 시, 2024년에도 추가적으로 15 – 20% 하락할 것으로 예상. Kwh당 배터리 팩 가격 112 - 119달러
2023년 3월 기준(중국) LFP 배터리 셀 가격은 kWh당 100달러 까지 하락.
ESS시장 내 LFP배터리의 점유율 확대 속도가 빠른데 2023년 기준 80%까지 상승.
1) 배터리 공간 확보가 용이
2) 지역별 리쇼어링 및 관세 등의 규제 정책에서 자유로운 상황
● AI데이터 센터와 ESS
최근 가속화되고 있는 AI 데이터센터 투자로 인해 ESS 수요 증가는 기존 전망치 대비 상향 조정될 가능성이 있음.
AI데이터센터 투자는 전력망 부족을 의미하며 이는 ESS의 수요 증가로 연결됨.
AI데이터 센터의 전력수요량 증가와 ESS
1) 안정적인 데이터 센터 가동을 위한 백업 전원 시스템 : UPS용 ESS
2) 신재생 전력과 연계된 유틸리티용 ESS 시장 확대
2026년 데이터센터용 ESS 시장 규모는 25GW 수준으로 예상. (데이터센터 전력 소모량 800Twh, 태양광 발전 비중 70%, 태양광 이용률 25% 가정시)
LCOE 하락과 RE100 정책으로 인해 하이퍼스케일러들의 Ai데이터 센터용 신재생에너지 투자는 지속적으로 확대될 것으로 전망되며, 이는 ESS 배터리 설치 증가로 이어질 것.
● 국내 업체들의 ESS 시장 진출
LG에너지솔루션은 2024년 하반기 중국 내에서 LFP배터리를 양산할 계획 중이며, 2026년부터 미국 애리조나에서 LFP라인 16GWh의 가동을 예정되어 있음.
삼성SDI는 미국 향 태양광 연계 ESS 배터리(삼원계 NCA)를 주목하고 있음.
Nextera Energy 태양광 프로젝트와 연계된 6Gwh규모의 ESS용 배터리를 삼성SDI가 수주한 것으로 추정. (1조원 수준)
자료인용 : 미래에셋증권 발간 “데이터는 전력이다” (2024. 06. 25)
※ AI데이터 센터와 에너지
● AI데이터 센터 발, 전력사용 증가 : 신재생에너지 & ESS
데이터 센터향으로 증가하는 전력은 대부분 친환경 무탄소 전원으로 이뤄질 전망.
전력수요 증가에 따른 수혜는 신재생에너지원(태양광/풍력)과 ESS부문에 집중될 것.
2026년까지 글로벌 데이터 센터 전력수요 800Twh 감안 시, 신규 태양광 설치량은 117GW로 전망.
연평균 39GW에 해당하는 것으로 미국 연간 신규 설치량에 맞먹는 시장이 형성.
태양광 발전의 확대는 ESS수요 확대로 이어질 전망. ESS수요는 26년까지 25Gwh의 신규 수요 창출이 가능.
● 구리공급 부족
구리가격의 중장기적 강세요인
1) TC가격 급락으로 인해 정제동 공급 확보가 어려움
2) 구리 광산 개발업체들의 Capex 감소로 동정광 수급이 타이트해질 가능성이 높음.
15년 이상의 구리광산 개발 리드타임 감안 시, 장기 공급 부족은 지속될 전망.
자료인용 : 미래에셋증권 발간 “데이터는 전력이다” (2024. 06. 25)
※ LG엔솔 각형 배터리 개발
LG에너지솔루션도 기존 파우치와 원통형에 이어 각형 배터리 개발을 본격화하고 있습니다.
이는 기사에서도 언급되었듯 고객사들의 폼팩터 요구가 다양해지고 있기 때문인데, 지금까지 국내 배터리사들(LG에너지솔루션, SK온)의 전기차용 주력 폼팩터는 파우치형이었으나, 고객사들의 요구에 따라 원통형(특히 46파이) 및 각형 배터리로도 폼팩터를 확장시키고 있습니다.
● 탈중국
각형은 CATL을 중심으로 한 중국업체들이 시장을 주도해 왔으나, 최근 중국에 대한 서방의 견제로 인한 공급망 다변화의 일환으로 서구 완성차 업체들은 중국 외 업체들로부터 각형배터리를 소싱할 필요가 생겼으며, 이에 LG에너지솔루션도 각형 배터리 사업을 본격화 하는 것으로 보여집니다.
참고로, 폭스바겐, BMW, 벤츠 등 유럽업체들은 각형을 많이 사용해 왔습니다.
● 안전성
최근 배터리의 화재 안정성이 강화되면서 여러 고객사들이 상대적으로 열관리가 용이한 46파이나 각형 배터리에 대한 관심이 높아지고 있는 것이 사실입니다.
기존 파우치형 배터리를 주력으로 사용하였던 현대/기아차나 GM도 각형 배터리에 관심을 보이고 있는 상황입니다.
Vent와 같은 가스제거 장치나 PTC, CID와 같은 물리적 안전장치를 지니고 있는 각형/원통형 배터리가 열관리에 있어 좀 더 유리한 장점을 지니고 있습니다.
● 노칭앤스태킹 공법 적용
기존 각형 배터리는 와인딩 공법의 사용으로 생산성은 높지만, 스웰링현상과 모서리의 변형 그리고 경박단소한 탭으로 인해 높은 출력에 한계를 가지고 있었습니다. 또한 배터리 내의 저항이 매우 높아 열관리가 어려웠던 단점도 존재했습니다.
그러나 삼성SDI가 노칭앤스태킹 공법을 각형배터리에 적용(Gen5 배터리)하는 것과 같은 신공법이 각형배터리에도 적용되면서 기존의 문제점들을 해결하게 되어 고성능 전기차용 배터리로도 폭넓게 사용될 수 있게 되었습니다.
https://n.news.naver.com/article/030/0003217065