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※ 2024년 & 2022년 ESS 가격 비교 (59% 하락)
지난 5월 인도네시아에서 열린 제 10회 세계 물 포럼에서 일론 머스크는 태양광에너지와 BESS의 효율성에 대해서 강조하였습니다.
머스크는 현재 태양광 에너지의 발전비용이 매우(extremely) 낮으며, BESS의 가격도 급격하게 하락하였다고 언급하면서, 현재와 이전에 발표되었던 많은 연구결과들은 태양광 에너지와 배터리 가격이 매우 비쌌던 시기에 수행되었던 자료들이며, 현재 가격으로 다시 계산하게 된다면 태양광 + BESS 조합의 가격이 매우 놀라울 정도로 경제적이라고 말하였습니다.
실제 중국측 자료를 보면, 배터리와 시스템 비용을 포함한 ESS의 가격이 2022년 대비 현재 크게 낮아져 있는 것을 확인해 볼 수 있습니다.
2022년 wh당 1위안(약 190원)이었던 배터리 가격이 2024년 wh당 0.35위안으로 65%나 감소하였고, BMS, PCS, EMS, 컨테이너 등을 포함한 시스템의 가격 또한 2022년 wh당 0.52위안에서 2024년 0.27위안으로 48% 감소하였습니다.
즉, ESS의 전체가격이 2024년 현재 2022년 대비 59%가 하락해 있는 상황입니다.
현재 미국에서의 ESS설치가 크게 증가하고 있는 이유는, AI로 인한 전력수요의 증가 및 신재생에너지 확대에 따른 전력계통에서의 ESS 설치의 필요성 증가와 함께 ESS 자체의 가격도 크게 낮아져 경제성이 높아졌기 때문입니다.
그리고 미국을 비롯한 글로벌 ESS 설치 증가는 중국의 ESS 수출 통계를 통해서도 확인해 볼 수 있는데, 2024년 5월 중국의 ESS 수출은 4Gwh를 기록하여 전년동월 대비 664%나 급증하는 모습을 보여주었습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=OfwfTN1mEyM
※ ESS의 방향성 : 5. 에너지 전환의 관건은 ESS에 있음.
전력시스템에 있어 ESS에 대한 필요가 갈수록 시급해지고 있음.
글로벌 에너지 전환으로 인한 신재생에너지 발전비율이 지속적으로 증가함에 따라 미국, 유럽, 중국을 중심으로 신재생에너지 소비에 대한 문제가 급부상하고 있음.
태양광발전은 햇빛이 비치는 시기에만 발전할 수 있고, 출력피크가 주로 정오에 이뤄지기 때문에 이때 낮은 발전단가의 태양광으로 석탄과 같은 기존 발전원으로부터의 전기를 대체하는 것이 효율적임.
하지만 야간에는 기존 발전원으로 전기생산이 대체되어야 하며, 태양광에서 기존 발전원으로 전기생산이 대체되는 시기에 ESS를 통한 조정이 필요함.
또한 ESS가 야간에 기존 발전원을 좀 더 많이 대체하기 위해서는 방전시간을 좀 더 늘릴 필요가 있음.
CNESA 데이터에 따르면, 2023년 글로벌 누적 ESS 설비의 설치량은 289.2GW이며, 이 중 양수발전이 193.8GW, 용융염 열 저장이 4.0GW, BESS가 91.3GW임.
양수발전은 BESS 이전의 가장 보편적인 ESS였으나, 지리적 문제와 5년이 넘는 건설기간으로 인해 더 이상의 설치량 증가세가 뚜렷하지 않음.
최근 BESS가 새로운 ESS의 주요 설비로 자리잡고 있는데, 2018년 7.6GW에서 2023년 91.3GW로 5년 만에 10배 이상 설치량이 증가하였음.
신재생에너지의 설치증가와 비교하였을 때, ESS의 설치량은 현재 매우 부족한 상황인데 2023년 글로벌 ESS의 누적 설치량은 신재생에너지 누적설치량의 11.9%에 불과하여 향후 보다 빠른 ESS 설치량 증가가 필요함.
중국의 경우, 2060년 중국의 신재생에너지의 발전량 비중이 60%를 초과할 것으로 예측되는데, 이 때 중국에서만 필요한 ESS의 수요가 매년 수천 Gwh 수준에 도달할 것으로 예상되고 있음.
장기적 관점에서 규모의 제한이 없는 ESS의 설치야 말로 향후 발생될 신재생에너지의 효율적 소비에 대한 문제를 해결할 수 있는 답임.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ ESS의 방향성 : 3. 신재생에너지의 LCOE
신재생에너지의 LCOE(Levelized Cost of Electricity)는 기술발전과 생산량 증가 및 비용 감소로 인해 매년 감소하였음.
2009년 글로벌 태양광 전력비용은 2.77위안/Kwh에서 2023년 0.32위안/kwh로 88.5%감소하였고, 글로벌 육상풍력 전력비용은 0.87위안/kwh에서 2023년 0.29위안/kwh로 66.5% 감소하였음.
해상풍력 전력비용도 1.49위안/kwh에서 0.55위안/kwh로 63.4%감소하였음.
신재생에너지의 전력비용은 석탄 및 가스발전보다 낮아졌으며, 이는 최근 수년간 에너지 산업이 기존 화석에너지에서 신재생에너지로 빠르게 대체되었던 원동력이기도 하였음.
2015년 글로벌 신재생에너지(태양광+풍력)의 신규 설치량 규모는 115.2GW에서 2023년 461.8GW로 대폭 증가하였음.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ ESS산업의 방향성 : 1. 신재생에너지와 전력소비에 대한 문제
2024년 버크셔 해서웨이 주총에서 워렌 버핏은 “아직 태양광이 주요 전력원이 되지 못한 이유는 에너지 저장 문제가 해결되지 않았기 때문”이라고 말하였음.
신재생에너지로의 전환에 있어 가장 큰 걸림돌은 실제로 에너지 저장문제 이기 때문에, 에너지 저장에 대한 해결책이 나온다면 신재생에너지로의 빠른 에너지 전환이 가능함.
2015년 파리기후변화협약 이후, 각 국가들의 탄소배출감소 정책과 더불어 신재생에너지의 LCOE의 감소로 인해 전세계의 에너지 전환 속도가 가속화되었음.
2023년 중국, 미국, EU의 태양광 및 풍력 발전 비율은 각각 15.6%, 15.6%, 26.5%였으며 이들 국가들은 신재생에너지 발전 비율의 증가와 함께 여러 전력소비에 대한 문제가 발생하고 있음.
현재 중국에서 발생하고 있는 상황을 예로 들어, 신재생에너지와 전력소비에 대한 문제가 크게 3가지 측면에서 심각하게 나타나고 있는데,
1) 태양광 및 풍력 발전의 증가속도가 예상보다 빠르며,
2) 태양광 및 풍력 이용률이 전력소비의 레드라인인 95%까지 하락하였으며,
3) 일부 성의 태양광 현물 전기가격이 2024년에 6센트까지 하락하였음.
미국 캘리포니아에서도 순부하곡선이 덕커브에서 캐니언커브(Canyon Curve)로 변화되면서 시간 단위에서의 신재생에너지 수용이 한계에 직면하고 있음. (낮시간대의 순부하가 0Mw이하로 하락하기도 함)
유럽의 경우 신재생에너지의 높은 침투율로 인해 2023년부터 전력시장에서 마이너스 전기요금이 급증하고 있음.
ESS의 대규모 증설은 신재생에너지의 발전을 확대시키는 열쇠임.
전력시스템에서 ESS에 대한 수요가 더욱 시급해지고 있는 상황임.
2023년 기준 글로벌 누적 ESS는 289.2Gw이고, 신규설치량은 2019년 7.6Gw에서 2023년 91.3Gw로 빠르게 성장하였지만, 전체 전력시스템에서 ESS가 차지하는 규모는 매우 적은 상황임.
에너지 소비문제를 해결하기 위해서 ESS를 더욱 빠르게 증가시켜야 함.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ 리튬배터리 용량 및 성능 저하의 원인
리튬이온배터리의 용량 및 성능 저하는 일반적으로 다양한 부반응 과정이 함께 작용한 결과로 여러 물리적 화학적 매커니즘과 관련되어 있음.
리튬이온배터리의 용량 및 성능저하의 주요 원인은,
1. 음극에서 리튬이온이 분리될 때 리튬이온의 활성화로 인해 이온의 손실이 발생하게 됨.
리튬석출(결정화, 덴드라이트)은 리튬이온이 전극 표면에 리튬이온을 증착하는 과정에서 발생하며 리튬석출은 음극에서 리튬이온 저장량의 손실을 초래해 배터리 용량을 감소 시킴.
흑연 음극에 리튬이온이 삽입되는 속도가 너무 느리거나 너무 빠르면 리튬이온의 분리현상으로 인한 이온손실이 발생할 수 있음.
2. SEI 막의 성장은 활성 리튬이온 손실을 초래함.
SEI 막은 음극 표면에 형성된 패시베이션 막으로 이온전도성을 가지며 전자의 통과를 방지하고 전해질이 음극에 침투하는 것을 방지하는 역할을 함.
리튬배터리는 첫번째 충전(first formation)에서 전극과 전해액이 접촉하면서 전해액의 분해반응이 나타나면서 음극 표면에 SEI막이 형성됨.
이후 충방전 사이클 과정에서 SEI막의 분해와 재생이 반복적으로 발생함.
SEI막의 생성은 전해액 내 활성 리튬이온을 소비하기 때문에 SEI 막의 두께가 두꺼워지면 배터리 전극 반응의 활성화를 감소시켜 배터리 용량을 감소시킴.
SEI 막의 성장(증가)은 배터리 노화의 주요 원인 중 하나임.
3. 집전체의 부식은 배터리의 내부 저항을 증가시킴.
과방전은 구리 집전체가 음극활 물질 표면을 손상시켜 음극에서의 리튬이온의 삽입과 탈리를 방해하고, SEI막을 두껍게 만들어 배터리의 내부 저항을 증가시킴.
4. 전극활물질의 손실은 배터리 용량 감소를 초래함.
리튬이온배터리가 장시간 사용되는 과정에서 리튬이온이 양극과 음극에서 반복적으로 탈리 및 삽입을 하게 되는데, 이는 양극과 음극이 반복적으로 수축과 팽창을 하게 만듦.
이는 전극에 스트레스를 주어 전극활물질의 격자구조를 붕괴 또는 변형시켜 배터리의 용량을 감소시킴.
5. 전해액의 분해는 배터리 내부 저항을 증가시킴.
전해액은 충방전 사이클이 반복되고 시간이 지남에 따라 산화 및 분해 반응을 일으켜 리튬이온의 전달 능력을 약화시키고 배터리의 내부 저항을 증가 시킴.
6. 분리막의 열화는 단락 또는 배터리 용량 저하를 초래함.
분리막은 충방전 과정에서 다이어프램이 열화 됨. 다이어프램의 열화는 주로 리튬이온의 통로인 기공을 막히게 하여 출력의 감소 및 임피던스의 증가를 야기시킴.
분리막 열화의 원인은 전해액의 분해로 인해 생긴 부산물이나 활물질이 분리막의 기공을 막거나, 음극의 덴트라이트가 분리막을 손상키는 과정에서 발생함.
또한 고온 및 장시간의 사이클로 인해 분리막이 구조적으로 열화 되기도 함.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ 2024년 6월 중국 배터리 탑재량 및 업체별 점유율
2024년 6월 배터리 탑재량은 42.10Gwh였음. 이 중 상위 15개 업체의 누적 점유율은 99.53%였으며, CATL과 BYD 두 업체의 시장점유율이 70.38%였음.
시장 점유율 순위를 보면, CATL이 45.06%로 1위였으며, BYD가 25.32%로 2위를 차지하였음.
3위는 CALB가 7.32%, 4위는 EVE 3.99%, 5위는 Guoxuan(Gotion Hitech) 3.46% 순이었음.
중국 배터리 시장은 CATL과 BYD와 같은 상위업체로의 집중이 점점 심해지고 있음.
자료인용 : Minsheng Securities 발간 “6월 중국 전기차시장 동향” (2024. 07. 26)
※ EV3 주행거리 (mediaAUTO & 김한용의 MOCAR)
여러 시승기에서 기아의 대중 전기차인 EV3에대한 호평이 쏟아지고 있습니다.
디자인과 같은 외적인 모습 외에도, 스마트회생제동, 공조시스템과 낮은 전력소모량, 전기차 특유의 넓은 공간 등 전기차에서만 나올 수 있는 여러 기능들이 기존 전기차보다 진일보한 모습을 보여주면서 전기차가 나가야 할 방향성을 제시해주고 있다는 평가를 받고 있습니다.
특히 전기차는 기존 내연기관과는 다르게 하나의 전자기기와 같은 모습을 보여주면서 세대가 거듭될 수록 매우 빠른속도로 진화해가고 있음을 EV3를 통해 경험할 수 있어 다음 전기차의 혁신이 어떠할지에 대한 궁금증을 자아내게 만들기 충분합니다.
과거 스마트폰이 세대를 거듭할수록 놀랄만한 하드웨어/소프트웨어의 발전을 빠르게 이룬 것과 같이 앞으로 전기차도 계속해서 진화를 거듭할 것입니다.
이번 EV3 시승기에서 특히 눈길을 끄는 것은, EV3의 전비였습니다.
시승회에 참여한 여러 단체에서 전비를 측정하였는데 kwh당 6대후반에서 많게는 7.8km까지 나오는 모습을 보여주었습니다.
Kwh당 7.8km의 전비는 EV3의 배터리 용량이 81.4kwh(롱레인지 기준)임을 감안할 때 이론상 635km의 주행거리가 가능하다는 것으로 이는 전기차의 최대 문제점으로 지적되었던 짧은 주행거리가 더 이상 큰 문제가 되지 않을 수 있음을 보여주었습니다.
특히 EV3는 고급전기차가 아닌 대중전기차임을 감안할 때 550 - 600km의 실주행거리는 매우 고무적이라 할 수 있습니다.
이번 EV3는 전기차가 대중차로 갈 수 있는 가능성을 보여주었다는 점에서 매우 의미 있는 차량이며 앞으로 나올 전기차들에 대한 기대를 높이는 계기가 될 것으로 보여집니다.
https://www.youtube.com/watch?v=jBXXWGlPPbQ
https://www.youtube.com/watch?v=cTS8UWSzPZc
※ 배터리 폼팩터 비교
1. (셀) 무게 : 파우치 > 원통형 > 각형
2. (모듈/팩) 무게 : 파우치 = 원통형 = 각형
3. (모듈/팩) 에너지밀도 : 파우치 = 각형 > 원통형
→ 원통형 최대 약점
4. 냉각효율 : 각형 > 원통형 > 파우치
→ 각형 최대 장점
5. 공간활용도 : 파우치 > 원통형 > 각형
→ 각형 최대 약점
6. 내구성 : 각형 > 원통형 > 파우치
7. 생산성 : 원통형 > 각형 > 파우치
→ 원통형 최대 장점
8. 화재 안전성 : 각형 = 원통형 > 파우치
→ 파우치 최대 약점
9. 배터리 관리/수명 : 각형 = 원통형 > 파우치
10. CTP/CTC 적용 : 각형 = 원통형 > 파우치
→ 파우치 최대 약점
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● 기사 주요 내용 요약
파우치형 배터리를 주로 제조하였던 LG에너지솔루션과 SK온이 폼팩터 다변화에 집중하고 있음.
파우치형 배터리의 안정성과 가격이 걸림돌이 되면서 새로운 포트폴리오 확보가 필요해지고 있음.
또한 46파이 등 차세대 원통형 배터리의 대량양산 및 적용 시기가 더딜 것으로 예상되어 각형에 대한 수요가 높아질 거라는 관측도 나오고 있음.
LG에너지솔루션과 SK온은 각형 배터리 개발에 집중하고 있으며, 고객사와의 논의도 함께 진행되고 있음.
원통형, 각형과 달리 파우치형은 가스 배출구(Vent)가 없어 배터리가 부풀어 오르는 Swelling 현상에 취약함.
각형은 사각형 캔에 배터리 전극을 담는 구조로 외관이 단단해 화재 위험성과 가스배출 등에서 유리하다는 평가를 받고 있으며, 스태킹 방식 적용으로 에너지 밀도도 높아지는 추세임.
또한 CTP, CTC, CTB 등을 적용하기도 유리함.
최근 배터리의 안정성에 대한 요구가 자동차 업계에서 많아지고 있어 배터리 업계가 각형 개발 비중을 높이고 요인임.
SK온은 각형으로 인력을 대거 배치한 상황임.
고전압 미드니켈과 46파이 원통형 배터리의 개발도 지속될 것임.
LG에너지솔루션과 SK온은 2025년부터 미드니켈 파우치형 배터리를 고객사에 납품할 계획임.
LG에너지솔루션은 2024년 8월부터 오창에서 4680배터리를 양산할 계획이나 초기 생산수율 최적화, 용접 및 전극 안정화, 대량 생산능력 확보 등을 고려했을 때 본격적인 시장 개화는 2025년 말 정도로 예상
https://www.ddaily.co.kr/page/view/2024072315504367194
※ 2차전지에 대한 언론/기관의 부정적 견해가 실제 산업에 미치는 영향
2023년 2차전지 섹터가 크게 상승한 이후, 언론과 기관들을 통한 2차전지 산업에 대한 부정적 뉴스와 기관 레포트가 많았습니다.
2차전지 섹터가 전기차 시장 성장 둔화로 인해 어려움을 겪고 있는 것은 분명한 사실이었고, 이러한 부정적 뉴스와 레포트도 어느 정도 팩트를 기반으로 하고 있는 면도 있었기 때문에 시장적 관점에서는 크게 문제가 있다고 보지는 않고 있습니다.
하지만 타섹터 대비 2차전지에 대한 뉴스와 기관을 중심으로 한 시장의 견해가 과도하게 부정적인 면이 있었던 것도 사실이었습니다.
타 섹터에서는 볼 수 없었던 2차전지 섹터 자체에 대한 인버스 상품이 출시된 다던지, 섹터 애널리스트들이 레포트/SNS 등을 통해 부정적 견해를 여과 없이 들어낸 다던지 하는 모습은 상당히 이례적이었습니다.
일반적으로 국내 기관들은 섹터 전망이 안 좋으면, 최대한 좋은 면을 부각을 시키던지 그렇지 않으면 최소한 관련 섹터에 대해서 언급을 자제하는 선에서 대응하지 노골적으로 자신이 커버하고 있는 섹터에 대해서 부정적 견해를 들어내는 경우는 흔치 않았습니다.
최근 다양한 사람들을 만나고 대화하게 되면서, 실제 이러한 부정적 뉴스와 기관 레포트들이 실제 산업에 어떻게 영향을 미치게 되는지 몇몇 사례를 통해 알게 되었습니다.
정부 당국자와 정책기관(금융권 포함)의 담당자들은 공신력이 있다고 여겨지는 언론과 기관들의 공식적 레포트에 생각보다 큰 영향을 받게 되어 있습니다.
이들도 항상 여론을 의식해야 하기 때문에 관련하여 부정적 견해, 특히 공신력이 있는 언론사와 금융기관들의 견해에 매우 의존적일 수밖에 없습니다. 항상 책임소재에 민감한 정책 집행자들에게 여론은 매우 중요한 면피의 수단이 되기 때문입니다.
반대의 경우도 있는데 특정 산업에 대해 좋은 뉴스와 레포트가 많아지면 정책기관들의 행동이 매우 신속하고 과감해 집니다.
이전 2차전지 산업에 대한 기대감에 정부와 정책은행은 새만금 투자진흥지구 지정, 이차전지 특화단지 지정, 2차전지 산업에 대한 각종 혜택 및 보조금 지금을 위한 자금마련 등 다양한 지원책 및 세제혜택을 준비하였습니다.
이전 매우 적극적이었던 정부/금융권의 2차전지 산업에 대한 여러 인센티브 및 자금지원 등에 대한 분위기가 다소 달라지고 있는 조짐들이 보이고 있습니다.
그리고 이러한 조짐들의 주요 원인 중 하나가 2차전지 산업에 대한 부정적 전망이 있고 그 근거가 공신력이 있다고 여겨지는 언론사들과 기관들의 뉴스와 레포트가 영향을 주고 있는 것이 사실로 보여집니다.
투자성과 자체가 가장 중요한 주식시장에서 일반 투자자들이 이런 내용까지 신경을 써야 할 이유는 없다고 보지만, 최소 뉴스와 레포트를 작성하는 언론과 금융기관은 준공적기관으로써 그들의 목소리가 실제 산업에 어떤 영향을 주는지 최소한의 고려는 있어야 한다고 봅니다.
※ 2차전지 산업에 있어 케즘의 영향 : 승리자가 결정되는 시기.
중국을 제외한 전기차 시장의 성장이 시장 기대치를 밑돌면서 케즘이라는 단어가 많이 회자되고 있습니다.
이에 따라 주식시장에서는 국내 배터리 밸류체인에 속해있는 업체들에 대한 비우호적인 견해도 언론과 기관 중심으로 널리 퍼져있는 것이 사실입니다.
하지만 얻는 것이 있으면 잃는 것도 있고, 또한 잃는 것이 있으면 얻는 것이 있듯 몇몇 국내 배터리 밸류체인 업체들에게 이번 전기차 시장의 일시적 성장 둔화는 기회의 요소로도 작용하고 있기도 합니다.
이번 케즘의 원인을 좀 더 깊게 분석할 수 있다면, 이에 따른 향후 수혜기업들도 전망할 수 있기 때문입니다.
개인적으로 케즘의 원인을 1) 기존 서구 전기차 업체들의 빠른 전동화 추진에 따른 시행착오,
2) 이에 따른 미국과 유럽의 자국 자동차 산업 보호,
3) 탈중국 공급망 확보를 위한 준비기간의 필요라는 관점에서 바라보고 있기 때문에 이러한 구도하에서 원인과 과정을 분석하면 미래 전망이 가능하다고 보고 있습니다.
2020년부터 2022년까지 전기차/배터리 산업에 대한 기대감이 매우 컸던 시기에 배터리 산업은 황금알을 낳아줄 거위로 여겨지며 기존업체들은 Capa증설을 추진하면서 많은 신규업체들이 뛰어들었습니다. 이는 배터리에서부터 소재, 부품에 이르기 까지 밸류체인 전체에서 일어났습니다.
특히 중국에서 이러한 현상이 극심하였고, 국내에서도 예외가 아니었습니다.
그러나 전기차 시장의 일시적 수요둔화가 발생하면서 이들 업체들의 구조조정이 빠르게 일어나고 있는 상황입니다. 중국 정부의 보조금과 강한 전기차 시장 육성 정책에 의해 버티는 중국업체들과 달리 혼자 힘으로 자립해야 하는 중국 외 업체들에게서 이러한 구조조정이 더 빠르게 일어나고 있습니다.
비중국 지역에서 배터리산업 구조조정이 발생하고, 동시에 미국과 유럽이 자국 산업 보호를 위해 중국에 대한 장벽을 세우면서 전체 배터리 산업의 성장은 슬로우 해졌지만, 강한 경쟁력을 지니고 있는 업체는 이 시기를 발판으로 향후 다시 성장할 배터리 시장에서 초격차를 벌일 수 있는 기회를 맞이한 것도 분명한 사실입니다.
즉, 이번 케즘의 시기는 경쟁력이 부족한 기존업체들과 배터리산업 성장성만을 믿고 산업에 뛰어들었던 일부 신규업체들이 구조조정 되면서 소수의 경쟁력 있는 업체들에 의해 시장이 과점되는 계기가 될 것으로 보여집니다.
● 배터리 산업
중국 외 지역의 배터리 시장성장이 여러 이유로 둔화되면서, 여러 신생 배터리업체들과 일부 완성차 업체들의 배터리 내재화 계획들이 차질을 빚고 있습니다.
또한 일부 기존 업체들도 투자속도를 조절하고 있는 상황입니다.
테슬라의 4680배터리 내재화 계획이 심각하게 불투명해 졌으며, 리비안은 배터리 내재화를 철회하고, 폭스바겐의 파워코를 통한 배터리 내재화 스케줄도 계속 늦춰지는 등 기존 완성차 업체들의 배터리 내재화 움직임이 크게 훼손되고 있습니다.
유럽을 중심으로 한 신생 배터리업체들인 노스볼트, ACC, Verkor, Freyr, PowerCo 등의 배터리 양산 계획이 계속 지연되고 있으며, 이들 중 일부 업체들은 사업 자체가 좌초될 수도 있을 것으로 보여집니다.
중국 배터리 업체들의 해외 진출이 서방국가들의 견제에 의해 어려움을 겪는 상황에서 이들 완성차 업체들의 배터리 내재화와 신생업체들의 공백을 경쟁력 있는 기존 배터리업체들이 메우며 향후 보다 크게 성장할 수 있는 발판이 될 수 있습니다.
그리고 이러한 기업들은 한국의 LG에너지솔루션, 삼성SDI와 같은 국내업체들이 될 가능성이 높다고 판단됩니다.
● 배터리 소재산업
기본적으로 배터리 소재산업도 배터리 산업과 비슷한 상황이 전개될 것으로 보여집니다.
다만 배터리 산업이 해외 완성차 업계와 배터리 업체들의 배터리 생태계 변화가 근간이라면, 소재산업은 주로 국내 업체들 사이에서의 변화로 그 강도는 배터리 산업보다는 약하지만 개별 기업단에서 많은 변화가 있을 것으로 보여집니다.
국내 배터리 소재사들의 주요 경쟁업체들은 주로 중국업체들인데 이들 업체들은 해외 특히 미국 진출이 매우 어렵고, 유럽에서도 자국 영내 생산을 우선시 할 것으로 보이기 때문에 유럽에 진출한 중국소재업체들의 경쟁력(특히 가격경쟁력)이 높지 않을 것으로 보여집니다.
미국에서는 국내 소재업체들끼리의 경쟁이, 유럽에서도 한국 소재업체들이 중국업체 대비 경쟁력에서 밀리지 않을 것으로 보여집니다. 오히려 선행투자가 되어 있는 업체들을 중심으로 더 높은 경쟁력을 지니고 있다 할 수 있습니다.
한국 배터리 소재업체들은 현재 배터리 성장의 둔화로 여러 어려움을 겪고 있는 것은 분명한 사실로 보여집니다.
2차전지 시장 침체로 자금조달에 어려움을 겪으면서 신규투자가 제한적이고 오히려 일부 업체들은 기존 투자계획들도 줄이고 있습니다.
또한 지난 2차전지 시장에 대한 기대감이 높았던 시기에 관련 시장에 진출한 일부 신생업체들은 현재 사업 철수를 심각하게 고려하고 있기도 합니다.
특히 기존 레퍼런스가 없던 이들 기업들은 유럽 신생업체들을 위주로 영업을 진행하였으나, 이들 업체들이 사업에 난항을 겪고 있으면서 관련 소재업체들도 심한 사업적 어려움을 겪고 있습니다.
하지만 몇몇 소재업체들은 이러한 케즘의 시기에 오히려 투자를 확대하고, 기존 투자계획을 차질없이 이행하면서 경쟁업체들과의 격차를 늘리는 기회로 활용하고 있습니다.
대표적으로 포스코그룹과 에코프로그룹, 엔켐그룹이 대표적이며, 그 외에도 몇몇 두각을 나타내고 있는 기업들이 있습니다.
● 케즘의 시기 : 2차전지 업체들과 자본시장
포스코그룹은 철강을 통한 안정적 캐시카우와 오랜 업력을 통한 튼튼한 재무구조를 바탕으로 케즘의 시기에 기존 사업계획을 큰 틀에서 계속 유지하고 있으며, 특히 업스트림에서 미드스트림까지 가장 이상적인 밸류체인을 구축하고 있습니다.
에코프로그룹도 지난 2차전지 주식 상승기를 대표했던 기업으로 분할상장(에코프로머티, 에코프로에이치엔)과 시장에서의 자금조달을 통해 현재까지 흔들림 없이 사업계획을 추진하고 있습니다.
특히 엔켐그룹은 자본시장의 덕을 가장 크게 본 기업으로, 자본시장에서의 성과를 바탕으로 전체 소재업체 중 가장 공격적인 투자계획을 추진 중에 있습니다.
타 기업들이 투자를 축소하거나 연기하는 사이 엔켐그룹은 오히려 전해액과 리튬염 투자계획을 확대하면서 경쟁업체들과의 격차를 벌이는데 이번 케즘의 시기를 활용하고 있는 모습을 보여주고 있습니다.
엔켐과 중앙첨단소재는 주가가 상승하면서 사업의 가장 큰 걸림돌이었던 기존 오버행 이슈를 완전히 해소하여 재무구조를 개선하였고, 이를 바탕으로 공격적 사업확장의 발판을 마련할 수 있었습니다.
그 외, 에코앤드림, 덕산테코피아, 대주전자재료 등이 자본시장을 적절하게 활용하여 어려운 시기에 투자를 확대하는 모습을 보여주고 있습니다.
지나간 과정을 돌이켜 볼 때 금양이 이러한 자본시장의 생리를 가장 잘 이해하고 2차전지 사업확대에 활용한 대표적인 업체로 생각됩니다.
이들 기업들은 어려운 시기에 시장 소통을 강화하고 이를 주가상승으로 연결시키고, 이를 다시 기업성장으로 활용하는 영리한 모습을 보여주고 있습니다.
성장산업에 속해 있는 업체들이 주가에 신경을 써야 하는 이유이기도 합니다.
분명 현재 시기는 한국 배터리 밸류체인 업체들에게 쉽지 않은 시기임은 분명합니다.
하지만 이 시기는 준비되어 있고, 기회를 활용할 능력이 있는 업체들에게는 향후 시장 지배력을 강화시킬 수 있는 절호의 기회가 되기도 합니다.
이는 배터리 산업 뿐 아니라 모든 성장산업에서 공통적으로 발생하는 과정으로, 특히 한국 배터리 업체들에게는 주요 경쟁자였던 중국기업들보다 좀 더 유리한 환경 속에서 미래 글로벌 시장을 장악할 수 있는 시기이기 때문에, 이러한 시기를 잘 헤쳐나가는 기업들에 대한 매우 좋은 투자기회가 될 수도 있습니다.
※ 희토류 영구자석의 공급망 현황과 시사점. 네오디뮴 영구자석 NdFdB을 중심으로
Part. 1. 희토류 영구자석의 개념과 활용
● 희토류 영구자석의 주요공정.
네오디뮴 영구자석 생산을 위해서는 원료가 되는 희토류(Nd, Dy 등)를 분리하여 산화물로 가공하고 이를 순수한 금속으로 환원하는 과정이 필요
희토류 원광 안에는 여러 희토류 원소가 낮은 농도로 혼재되어 있고, 화학적 성질이 유사하여 분리 및 농축 과정이 어렵고 폐수, 가스, 방사능 물질 등이 발생함.
이로 인해 환경규제가 느슨한 중국, 말레이시아 등 일부 국가에서만 희토류가 생산되어 왔음.
중국의 글로벌 희토류 채광의 58%, 제련의 90%를 장악하고 있으며, 최근 중국에 대한 의존도를 낮추기 위해 베트남, 호주 등이 새로운 희토류 조달처로 부상하고 있음.
소결 네오디뮴 영구자석의 생산과정은 네오디뮴, 철, 붕소 등이 포함된 합금을 미세한 분말로 분쇄하고 소결, 표면처리, 자화 등의 공정을 거쳐 생산
○ 주요 공정
스트립 캐스팅 – 수소파쇄 – 미분쇄(Jet Milling) – 자장성형 – 소결 및 열처리 – 절단 및 가공 – 입계확산(Grain Boundary Diffusion) – 포면처리 – 자화
입계확산 : 결정의 경계는 결정 내부에 비해 원자 밀도가 낮아 확산 속도가 빠르기 때문에 이러한 성질을 이용해 디스프로슘과 터븀을 네오디뮴 자석의 결정 경계에 확산시키는 공정.
고성능 자석 생산의 핵심 공정임.
한국은 중국에서 소결까지 진행된 자석을 수입하여 절단 및 가공, 표면처리 등 후공정 만을 국내에서 시행하였으나, 최근 영구자석 생산의 전공정을 내재화하기 위한 시도가 진행되고 있음.
자료인용 : 한국무역협회 2023. 13호 (2023. 08. 11)
※ 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)
※ ESS의 방향성 : 6. 향후 리튬배터리가 ESS시장을 주도
향후 ESS시장은 리튬배터리 독주체제가 될 것.
기존 양수발전이나 용융염열 발전 ESS를 제외한 신규 ESS로는 리튬배터리, 압축공기저장, 바나듐 액체 흐름 배터리, 흘라이휠 저장 등 다양한 ESS가 있지만,
GNESA가 2023년 발표한 데이터에 따르면 신규 ESS 중 리튬배터리가 차지하는 비중이 96.9%에 달할 정도로 압도적임.
리튬배터리를 사용하는 ESS(이하 BESS)는 설비규모, 기술성숙도, 상업화 등 모든 면에서 절대적인 비교우위를 지니고 있음.
리튬배터리는 에너지 저장시간, 수명, 안전성 등에서 여전히 해결해야 할 점들이 있지만 경제성, 상업화 진행상황 등에서 가장 성숙한 기술로 상당기간 리튬배터리 일극구도가 유지될 것임.
BESS는 설비설치가 간편하고 운용의 유연성이 높은 특징을 가지고 있어, 전력 시스템의 각 단계에 폭넓게 사용할 수 있음.
전원, 전력망, 사용자(상업용, 가정용) 측면 어느 곳에서나 BESS를 사용할 수 있음.
BNEF 데이터에 따르면, 2023년 기준 글로벌 BESS 누적 설치량은 44.4GW/95.9Gwh이며, 이 중 유틸리티용(전원+전력망) BESS설치량이 72%, 상업용이 5%, 가정용이 17%를 차지하고 있음.
현재 중국이 가장 큰 BESS 설치국가이며, 2023년 기준 중국의 누적 BESS 설치량은 22.0GW/46.5Gwh로 글로벌 비중 50%를 차지하고 있음. 미국과 유럽은 각각 17%와 21%임.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ ESS의 방향성 : 4. 미국, 유럽(EU), 중국의 에너지전환
미국, 유럽, 중국은 글로벌 에너지 전환의 주요 축임.
미국, 유럽, 중국의 2023년 기준 발전량은 각각 4.3조 kwh, 2.7조 kwh, 9.5조 kwh로, 글로벌 총 발전량의 14.5%, 9.2%, 32.1%를 차지하고 있음. 이들 세 지역의 발전량은 글로벌 발전량의 55.8%를 차지하고 있음.
미국의 주요 전력원은 천연가스, 석탄, 원자력 발전이며, 2023년 기준 미국의 신재생에너지(태양광+풍력)발전 설비비율은 23.5%, 발전비율은 15.6%임.
유럽의 주요 전력원은 천연가스, 석탄, 원자력 및 수력 발전이며, 2023년 기준 유럽(EU기준)의 신재생에너지(태양광+풍력)발전 설비비율은 44.1%, 발전비율은 26.5%임.
중국의 주요 전력원은 석탄, 원자력 및 수력 발전이며, 2023년 기준 중국의 신재생에너지(태양광+풍력)발전 설비비율은 36.0%, 발전비율은 15.6%임.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ ESS의 방향성 : 2. ESS의 균등화저장비용(LCOS)
균등화저장비용(LCOS, Levelized Cost of Storage)은 ESS에서 생산된 전력단위(kWh) 당 평균 실질 발전비용으로 총생산비용의 현재 가치를 총발전량의 현재가치로 나누어 계산
LCOS는 ESS의 전체 수명 주기에 걸친 종합비용으로 ESS의 경제성을 판단하는 핵심지표임.
ESS의 LCOS 모델 분석에 있어 리튬가격 외에도 연간 충방전횟수와 배터리의 수명이 중요한 변수임.
1. 배터리 경제성 (전력 현물시장)
이론적으로 전력생산비용과 전력현물시장의 가격차이는 ESS 경제성의 가장 중요한 원천임.
현물시장에서의 직접적인 판매 외에, 임대사업, 보조 서비스 수입, 용량보상, 보조금 등이 ESS의 또 다른 수입원이 되어주고 있음.
2. 배터리 수명
지난 2년간의 조사에 따르면, 중국에서 ESS의 실제 작동 수명은 8년 미만으로 조사되 배터리의 원래 설계수명보다 훨씬 낮았음.
배터리 수명을 향상시키려면 배터리의 소재 혁신과 시스템의 통합 관리 최적화가 필요함.
CATL과 Nio와 같은 기업들은 2024년 장수명 배터리 제품을 출시하는 등 배터리 수명 개선에 대해 더욱 더 큰 관심을 기울이고 있음.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ 미국 캘리포니아 태양광 발전 순부하의 급격한 하락 (Duck Curve가 Canyon Curve로 변화)
최근 미국에서 AI 데이터센터로 인해 ESS가 크게 주목을 받고 있지만, 전체 전력시스템 측면에서 ESS는 필수불가결한 요소입니다.
캘리포니아의 시간별 순부하량을 나타내는 그래프는 2024년 3월 마이너스를 기록하는 모습을 보여주었으며, 이제 그래프곡선을 Duck Curve가 아닌 Canyon Curve라고 이를 지칭하게 되었습니다.
미국에서 신재생에너지의 발전단가가 빠르게 하락하였고, 특히 태양광 발전 설치 증가가 크게 늘어나면서 낮시간대 순부하가 마이너스를 기록하면서 더 이상 ESS는 전력시스템의 보조가 아닌 필수가 되고 있습니다.
순부하가 마이너스가 되면 기존 전력원(화력, 가스, 원전, 수력 등)은 가동을 중단하여야 하는데 현실적으로 기저전력원인 화력과 원전, 수력은 가동을 중단할 수가 없습니다.
이럴 경우 초과된 신재생 발전을 즉각적으로 전력계통으로부터 차단해야 하는데, 이는 현실적으로 쉽지 않습니다.
때문에 전체 전력시스템의 밸런스를 맞춰 줄 수 있는 ESS의 필요성은 이제는 선택이 아닌 필수가 되어가고 있는 상황입니다.
앞으로 태양광을 비롯한 신재생에너지 발전은 더욱 증가하게 될 것이고, 이에 따라 ESS의 필요량 또한 크게 증가할 수 밖에 없는 구조로 전력시스템이 변화하고 있습니다.
AI데이터 센터보다 근본적으로 변화하는 전력시스템의 구조가 ESS 수요의 핵심입니다.
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신재생에너지 발전(특히 태양광)의 간헐성으로 인해 전력 시스템은 전력의 수요와 공급 밸런스를 맞추기 위해 기존 전원의 출력을 신재생에너지의 출력에 맞춰 실시간으로 조정해야 하며, 이를 순부하(순부하 = 총부하 – 신재생에너지 출력)라고 함.
태양광 발전의 증가에 따라 낮 시간대 미국 캘리포니아 전력시스템의 순부하는 해마다 감소하였고, 이러한 순부하 곡선이 오리를 닮아 덕커브(Duck Curve)라고 지칭하였음.
2024년 3월 캘리포니아 지역의 정오 순부하가 마이너스를 나타내기도 함에 따라 이를 Canyon Curve라고 지칭되고 있으며 이제는 낮 시간대의 전력 시스템 운영에 중대한 도전을 가져오게 되었음.
순부하가 0보다 낮으면, 태양광 및 풍력 전력만으로도 모든 전력 수요를 충족할 수 있음을 의미하며 이를 ESS를 통해 저장하지 않는다면 잉여 태양광전력을 폐기해야 하고, 더 나아가 기존 전력시스템에 큰 무리를 줄 수 있음.
현재 캘리포니아의 에너지 소비는 천력망 차단과 같은 공간적 차원의 제한 뿐 아니라 에너지저장(ESS)의 부족과 같은 시간적 차원의 제한에 직면하고 있음.
자료인용 : Minmetal Securities 발간 “ESS 산업의 관건은 무엇인가?” (2024. 07. 24)
※ 2024년 1 – 5월 누적, 업체별 글로벌 배터리 생산량
1. CATL
2. BYD
3. LG에너지솔루션
4. SK온
5. 삼성SDI
6. 파나소닉
7. CALB
8. EVE
9. Guoxuan
10. Sunwuda
글로벌 탑6 시장점유율 : 64.5%
글로벌 탑 10 시장점유율 : 91.5%
한국 배터리 3사 시장점유율 : 22.3%
CATL 시장점유율 : 37.5%
자료인용 : Minsheng Securities 발간 “6월 중국 전기차시장 동향” (2024. 07. 26)
※ 2024년 6월 중국 전기차 생산량 & 판매량
2024년 6월 중국 자동차 생산과 판매는 각각 2,507,000대와 2,552,000대로 전년동월대비 2.1%, 2.7% 감소하였으며, 전월대비로는 5.7%와 5.6%증가하였음.
이 중 6월 전기차 생산과 판매량은 각각 1,003,000대와 1,049,000대로 전년동월대비 28.1%, 30.1% 증가하였으며, 전월대비로는 6.7%, 9.84% 증가하였음.
6월 중국의 전기차 침투율은 41.1%였음.
2024년 중국의 자동차 산업은 중국정부의 소비 촉진 정책에 힘입어 2023안정적인 모습을 보여주고 있으며, 특히 전기차 시장의 성장세가 양호한 모습을 보여주고 있음.
자료인용 : Minsheng Securities 발간 “6월 중국 전기차시장 동향” (2024. 07. 26)
※ 중국이 희토류 미사일을 발사대에 올렸습니다. (언더스탠딩)
지난 6월 29일 중국 국무원이 발표한 “희토류 관리 조례”를 발표하여, 중국에서 나오는 희토류는 중국 국가소유임을 명문화 하였음.
표면적 이유는 희토류의 효율적 관리를 내세우고는 있지만, 결국 희토류에 대한 통제력을 강화시켜 무기화할 목적을 가지고 있는 것이 아니냐는 우려가 나오고 있음.
희토류는 경희토류와 중희토류 나뉘는데, 경희토류에서는 네오디뮴이, 중희토류에서는 디스프로슘이 매우 중요함.
네오디뮴을 통해 영구자석을 만드는데, 네오디뮴 영구자석은 고열에서 자성을 잃는 특성을 지니고 있어 이를 보완하기 위해 디스프로슘을 함께 사용해야 함.
원전의 제어봉에도 디스프로슘이 사용됨.
영구자석에서 디스프로슘이 차지하는 비중은 중량기준으로 10% 이하이지만, 원가비중으로는 60 – 70%를 차지하고 있어 영구자석의 핵심은 디스프로슘임.
중국 정부는 희토류에 대한 국가통제권을 계속 강화해 왔음.
2010년도에 중국 내 희토류 업체들이 100여개 정도 되었으나, 이를 2021년에 4개까지 축소하였음.
2023년 기준 중국정부로부터 할당량을 받은 업체는, 중국희토그룹, 북방희토, 샤먼텅스텐, 광동희토 4개 업체임. 이 중 중국희토그룹이 샤먼텅스텐과 광동희토의 지분을 보유하고 있어 사실상 2개업체가 중국 희토류 생산을 장악하고 있음.
중국 정부는 이들 기업들에 외국 투자를 받지 못하게 하고 있으며, 공정기술(희토류 분리/정제)을 엄격하게 통제하고 있음.
희토류 영구자석 밸류체인은, 채굴 → 농축 → 분리 → 정제/제련 → 영구자석 제조로 되어 있음.
채굴은 중국(60%), 미국, 미얀마, 호주 등에서 행해지고 있지만, 분리, 정제, 영구자석용 합금(산화물)제조의 90%를 중국이 장악하고 있음.
디스프로슘은 1950년대에 들어서야 분리, 정제가 가능할 정도로 희토류의 분리, 정제/제련은 쉽지 않음. 디스프로슘은 거의 100% 중국에서만 생산되고 있음.
희토류를 분리, 정제하는 과정이 매우 복잡하며 미국 “방위고등연구계획국”에 따르면 희토류를 분리하는 공정이 최소 100단계는 필요하다고 함.
또한 이 과정에서 방사능(토륨)과 같은 여러 오염물질들이 발생함. 희토류 1톤을 생산하는데 총 2,000톤의 독성 폐기물이 발생.
● 중국 외 국가/업체들의 희토류 생산과 중국의 대응
미국 마운틴패스 광산에서 네오디뮴이 생산되고 있고, MP머티리얼스가 정제/제련 시설을 건설하고 있음. (상업생산 전임)
마운틴패스 광산은 경희토류 광산으로 중희토류가 없음.
일본은 호주 라이너스 광산을 통해 희토류를 채굴, 정제/제련 하여 영구자석을 생산 중에 있음.
미국은 알라스카를 비롯하여 미국 내 여러 곳에서 중희토류 광산 개발을 진행 중에 있음.
그 외 미국 업체가 그린란드 등에서도 중희토류 광산 개발권을 획득하기도 하였음.
중국 외 국가/업체들이 희토류 생산을 시작하면서 중국이 희토류 통제권을 강화하는 것은 중국이 글로벌 희토류 통제권을 더욱 더 강화하려는 일환으로 이해할 수 있음.
2022년부터 희토류 가격이 크게 하락하고 있는 이유는 중국정부가 희토류 공급을 조절하면서 경쟁국가/업체들의 시장진입을 막으려는 의도도 있는 것으로 분석되고 있음.
2021년부터 중국정부는 희토류업체들을 국유화하고 통제하기 시작한 시기와 희토류 가격하락이 맞물려 있음.
네오디뮴 영구자석은 풍력발전기와 전기차에서 많이 사용 되기 때문에 신재생에너지 분야와 전기차 분야에서의 중국의 장악력을 강화하려는 움직임과도 함께함.
https://www.youtube.com/watch?v=AU2shZZBdxw
※ 중앙첨단소재, 엔켐의 액상형 LiPF6 미국 현지생산
● 탈중국 리튬염의 중요성
국내 전해액 밸류체인에 있어 바틀넥은 리튬염(LiPF6)입니다.
리튬염은 대표적인 탈중국 핵심소재로, 약 90%이상의 LiPF6가 중국에서 생산되어 왔으며, 비중국 리튬염 업체는 한국의 후성, 일본 모리타, Ruixing, Kanto Denka, Central Glass 5개 업체뿐이었습니다. 이들 업체들의 2025년 탈중국 리튬염 예상 생산량은 21,000 – 25,000톤에 불과한 실정입니다.
통상 전해액 중 LiPF6가 차지하는 비중(중량기준)이 15%임을 감안할 때, 21,000톤의 리튬염은 전해액 150,00톤만을 생산할 수 있는 수량에 불과합니다.
엔켐은 관계회사인 중앙첨단소재를 통해 LiPF6 내재화를 진행 중에 있으며, 새만금에 5만톤(향후 10만톤), 미국 조지아에 3만톤 규모로 리튬염 생산시설을 증설할 예정에 있습니다.
● 파우더형과 액상형 LiPF6
기사에 따르면, 새만금에서는 기존 파우더 방식을, 미국에서는 액상형 LiPF6 생산시설 건설을 계획하고 있습니다.
덕산일렉테라의 김우연 고문의 인터뷰에서 나와 있듯이, 한국에서는 파우더 방식을 생산하고 미국에서는 액상형 방식을 사용하는 것이 큰 이점을 가지고 있는데 액상형은 LiPF6 제조 시 고체(파우더)를 다시 액체로 만드는 과정을 생략할 수 있고, 탄산리튬 사용량이 적어 파우더 방식 대비 이론적으로 약 30%정도 낮은 가격에 LiPF6를 제조할 수 있습니다.
하지만 LiPF6가 액체이기 때문에 부피가 커 운송이 어렵고, 변질의 우려가 있으며 장기간 보관이 어려운 단점을 지니고 있습니다.
때문에 국내에서 LiPF6를 생산하여 미국으로 수출할 경우는 파우더 형이, 미국 현지에서 LiPF6를 생산할 때는 액상형이 더 적합할 것으로 여겨집니다.
중앙첨단소재(이디엘)도 이러한 LiPF6 제조 특성에 맞게, 국내 새만금에서는 파우더형을 미국 조지아에서는 액상형 LiPF6를 생산하여 경쟁력을 높이고자 하는 것으로 보여집니다.
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● 기사 주요 내용 요약.
미국 현지에서 전해액을 생산하려면 원재료 소싱이 어려움.
전해액의 소재인 첨가제와 용매는 해결 가능하지만, 리튬염은 수급에 어려움이 있어 적극적인 투자가 시급함.
배터리를 개발하고, 양산단계로 넘어가지 전 검증 과정을 거치는데, 이때 계획보다 성능이 부족하면 전해액 레시피를 조절하여 원하는 품질로 맞출 정도로 전해액은 배터리의 성능과 품질에 아주 큰 영향을 미치는 소재임.
리튬염(LiPF6)는 국내에서 후성 외에 생산을 하는 업체가 없으며, 생산물량도 많지 않아 대부분 중국으로부터 수입하고 있음.
중국의 Tinci, DFD, 일본의 모리타, 스텔라 같은 업체들이 LiPF6를 생산하고 있음.
도요타 관련 업체는 배터리 4대 소재 중 미국에서 가장 취약한 소재로 전해액을 꼽았음.
리튬염 공장을 미국에서 만들어 공급할 수 있다면 좋은 기회가 될 수 있음.
2년 전 조사에 따르면, 미국에서 LiPF6를 생산할 기초 원재료들이 없었음.
리튬염은 파우더형과 액상형 두 가지 형태가 있음.
파우더는 수명이나 운반에서 유리한 부분이 있고, 액상은 몇 가지 공정이 생략되어 있기 때문에 가격 측면에서는 유리하지만 운반비가 많이 들어가는 단점도 있음.
국내에서 생산물량을 확보함과 동시에 미국 진출도 병행하는 것이 좋음.
전해액은 가연성 물질이기 때문에 물과 접촉하면 위험하고 특히 리튬염이 수분과 접촉하면 황화수소가 발생함.
황화수소는 배터리 안에 있는 양극재를 손상시키고 전극의 SEI층을 훼손시켜 배터리의 수명을 단축시킴.
때문에 전해액 업체는 탈수 공정을 통해 수분 관리를 매우 엄격하게 진행하고 있음.
배터리 업체들이 원재료를 변경하려면 완성차 업체로부터 변경 승인을 받아야 하기 때문에 배터리 업체들이 전해액과 같은 소재를 변경하기 어려움.
한번 납품이 시작되면 계속해서 납품이 진행되는 구조임.
https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=29193
https://n.news.naver.com/mnews/article/215/0001166954?sid=101
※ LG엔솔 각형 수주 논의 진행 중.
파우치형을 주력으로 생산해왔던 LG에너지솔루션과 SK온이 최근 각형 폼팩터 개발을 서두르며 고개사들과 가시적인 논의가 진행되고 있는 것으로 파악되고 있습니다.
글로벌 완성차 업체들이 최근 각형에 대한 선호도가 증가하는 이유는 안전성이며, 추가적으로 그 동안 각형 배터리 시장에서 큰 점유율 가져왔던 중국업체들에 대한 탈중국 현상도 한가지 이유라고 보고 있습니다.
기존 완성차 업체들은 각형배터리를 CATL로부터 주로 조달 받아왔으나, 탈중국 현상으로 인해 삼성SDI외 국내 배터리사인 LG에너지솔루션과 SK온에게도 각형 폼팩터에 대한 요구를 진행하고 있는 것으로 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.
● 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 LG에너지솔루션과 SK온도 각형 배터리 사업을 본격화 하는 것으로 보여집니다.
참고로, 폭스바겐, BMW, 벤츠 등 유럽업체들은 각형을 많이 사용해 왔습니다.
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LG에너지솔루션이 미국, 유럽 완성차 업체와 각형 배터리 수주를 위한 논의에 돌입한 것으로 파악되었으며, 수주 협상 결과에 따라 파우치형, 원통형에 이어 각형까지 포트폴리오를 확장할 수 있을 것.
현재 파악된 각형 수주 프로젝트는 유럽, 미국 고객사 총 2건으로 BMW와 GM등과 논의를 진행하는 것으로 추정.
LG에너지솔루션은 최근 각형 높아지는 각형 수요에 따라 관련 폼팩터 개발을 진행 중.
최근 각형 배터리의 수요가 커진 이유는 높은 안전성 때문임.
파우치형은 약한 외부 충격으로 인해 내부 가스가 발생할 경우 화재로 이어질 위험이 있으나, 각형은 가스배출구(Vent)의 존재와 단단한 외관 덕에 비교적 안전함.
셀투팩, 셀투샤시, 셀투바디 등을 통해 원가절감 측면에서도 유리함.
약점으로 꼽히던 에너지밀도도, 기존 젤리롤 방식에서 적층방식(노칭&스태킹)으로 바꾸며 단점을 보완하였음.
https://n.news.naver.com/mnews/article/138/0002178061?sid=105
※ 희토류 영구자석의 공급망 현황과 시사점. 네오디뮴 영구자석 NdFdB을 중심으로
Part. 1. 희토류 영구자석의 개념과 활용
● 희토류 영구자석의 주요 응용분야
네오디뮴 영구자석은 스피커, 마이크, 에어컨 등 소비자용 가전에서부터 전기차, 로봇 등 첨단산업과 방위산업에 이르기까지 광범위한 영역에서 사용됨.
강한 자력으로 작은 크기로도 제품의 성능을 높일 수 있어 경량화, 소형화되고 있는 각종 첨단 산업 분야의 핵심부품으로 사용되고 있음.
영구자석 응용분야 중 가장 크게 성장할 것으로 예상되는 분야는 전기차용 구동모터와 해상풍력터빈임.
○ 전기차용 구동모터
전기차용 구동모터(Traction motor)로 사용되는 영구자석 동기모터(PMSM)에는 1-2kg의 영구자석이 사용되며, 고온에서의 작동을 위해 EH 및 AH 등급의 자석이 사용 됨.
EH/AH 등급 : 디스프로슘이 약 8 – 12% 포함되어 200도 이상에서도 안정적으로 작동하는 자석의 등급.
희토류 및 영구자석의 조달 리스크, 모터 관련 기술의 발전 등으로 향후 전기차에 사용되는 모터의 종류도 영구자석 동기모터 위주에서 점차 다양화 될 것으로 전망 됨.
차종별 성능 및 사용, 공급망 리스크에 대한 대응 정책 등에 따라 일부 완성차 업체들은 유도모터 또는 계자권선형 동기모터(WRSM)을 채택하는 등 다양한 기술적 시도를 진행하고 있음.
테슬라는 모델S와 모델X에 유도모터를 적용했고, 모델3에는 앞바퀴에는 유도모터를 뒷바퀴에는 영구자석 동기모터(PMSM)을 사용하고 있음.
벤츠는 영구자석의 50%를 중국 외 지역에서 조달하는 방안을 검토
BMW는 계자권선형 동기모터(WRSM)를 채택하여 중국발 공급망 리스크에 가장 적극적으로 대응하고 있음.
영구자석을 사용하지 않는 유도모터의 경우, 비용절감, 열에 의한 성능저하가 적음, 내구성 우수, 희토류 조달 리스크가 없다는 장점이 있지만, 동기모터의 효율이 낮고 부피가 커져 주행거리 및 공간활용에서 단점이 있음. 유도모터는 구동 원리상 회전자에서도 단락 전류가 흐르기 때문에 여기서 생기는 손실로 효율이 낮아짐.
비희토류계 모터는 영구자석 공급망의 중국 의존도 완화 여부에 따라 향방이 결정될 전망.
○ 풍력터빈
영구자석을 활용한 모터는 풍력터빈의 무게를 감소시키고 부피를 줄이는 역할을 해 특히 해상풍력발전에서 중요하게 사용됨.
네오디뮴 자석이 사용되는 동기발전기(PMSG)는 기어박스가 불필요해 발전기의 중량을 줄이고 터빈의 효율을 높이며, 유지보수 비용이 절감되는 장점이 있음.
풍력 터빈에 사용되는 영구자석은 MW당 2.7 – 3.2톤이며, 일반적으로 디스프로슘이 4 – 6% 포함되어 150도까지 견딜 수 있는 자석(SH등급)이 사용됨.
자료인용 : 한국무역협회 2023. 13호 (2023. 08. 11)
※ 희토류 영구자석의 공급망 현황과 시사점. 네오디뮴 영구자석 NdFdB을 중심으로
Part. 1. 희토류 영구자석의 개념과 활용
● 희토류 영구자석 개요. (2)
디스프로슘과 터븀은 네오디뮴 영구자석의 보자력을 높이고 자석의 내열성을 강화하는 역할을 하며, 자석에 포함된 비중에 따라 등급 및 최종 응용분야가 달라짐.
실온 환경에서 사용되는 네오디뮴 영구자석에는 디스프로슘 및 터븀의 첨가가 불필요하나, 전기차용 구동모터 등 고온 환경에서 사용되는 경우 8 – 12%의 디스프로슘이 필요.
터븀이 디스프로슘 대비 효율이 높으나 가격이 더 비쌈.
네오디뮴 대비 디스프로슘의 가격은 4배, 터븀은 약 20배 비쌈.
네오디뮴 영구자석은 제조 방법에 따라 소결(Sintered), 본드(Bonded), 열간변형(Hot deformed) 방식으로 구분.
이 중 소결 방식이 가장 많이 사용되고 있음.
글로벌 네오디뮴 영구자석의 92%는 중국에서 생산되며, 일본 7%, 베트남 1%, 독일 1%이하 등에서도 일부 생산됨.
희토류 채굴은 중국 58%, 미국 16%, 미얀마 12% 등이나, 미국과 미얀마에서 채굴된 희토류는 전량 중국으로 보내 분리 및 가공을 함.
2017년 기준, 중국에는 연간 3,000톤 이상 생산규모의 회사가 17개임.
일본 및 유럽 업체들도 상당수가 중국 내에서 생산설비를 가동하고 있음.
자료인용 : 한국무역협회 2023. 13호 (2023. 08. 11)
※ 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