Nihil's view of data & information – Telegram
※ 니켈가격의 하락

최근 리튬가격이 하향 안정화되고 있는 가운데, 삼원계 배터리의 주요 소재인 니켈가격도 빠르게 낮아지고 있습니다.
배터리용 니켈 가격 하락의 원인은 2020년부터 2022년까지 인도네시아를 중심으로 니켈 공급이 크게 늘어났기 때문인데, 그 이면에는 고압산침출법 및 니켈매트 기술과 같은 니켈 생산기술의 발전이 있었습니다.

매장량이 풍부한 니켈산화강이 기술발전을 통해 고순도 배터리용 니켈로 사용될 수 있게 됨으로써 니켈가격은 앞으로도 계속 안정적인 가격을 유지할 것으로 보여집니다.

리튬, 니켈 가격의 하락을 통해 배터리가격은 향후 안정화될 것이며, 특히 니켈 가격의 하락은 삼원계 배터리의 가격경쟁력을 좀 더 높여줄 수 있을 것으로 보여집니다.
그리고 배터리가격의 안정화는 장기적으로 전기차시장의 확대를 좀 더 빠르게 앞당길 것입니다.

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● 니켈의 분류
니켈은 순도에 따라 Class 1과 Class 2로 나뉘어짐.

Class 1 : 니켈 순도 99.8% 이상

니켈 캐소드(Cathode) : 전기분해를 통해 얻어지는 고순도 니켈로 니켈 99.8%, 구리, 철, 규소, 탄소, 황 등을 미량 포함
니켈 브리켓(Briquette) : 니켈 파우더를 고온에서 압축 성형한 제품

Class 2 : 니켈 순도 99.8% 이하
유틸리티 니켈 : 스테인리스강 제조에 사용되며 순도 약 97 – 98%
페로니켈 (FeNi) : 내식강, 특수강 등 제조 시 첨가 목적으로 사용되며 순도는 약 15 – 45%
니켈선철 (NPI) : 니켈(2 – 17%)과 철의 합금으로 주로 중국에서 스테인리스강 생산에 사용


● 글로벌 니켈 시장의 변곡점.
1) 저품위 니켈 혁명

중국의 칭산그룹이 니켈선철로 스테인리스강을 만드는 기술을 개발
니켈선철의 품위는 20 – 30%로 낮은 가격에 품질차이가 크게 나지 않는 스테인리스강을 만들 수 있게 됨.
칭산그룹은 니켈선철 기술을 통해 2010년 이후 글로벌 니켈시장을 장악하면서 니켈 가격이 장기 우하향(2011년부터 2021년까지)되었음.

칭산그룹 인도네시아 니켈 광산 및 제련시장 장악

2) 고품위 니켈 혁명
니켈은 고순도의 황화강과 저순도의 산화강이 존재하며, 황화강은 러시아나 캐나다 등에 많고, 산화강은 적도 부근에 많음. 기존 산화강은 니켈의 품위를 높이기가 어려움

2018년 이후 배터리용 고순도 니켈의 수요가 늘어나가 시작하였으나, 새로운 기술의 개발로 산화강을 통해 고순도 니켈을 만들 수 있게 됨.

○ 니켈매트
칭산그룹이 품위가 낮은 니켈 산화강을 통해 품위를 높일 수 있는 중간재인 니켈매트를 개발하였음.
니켈매트를 통해 Class1 니켈을 만들 수 있음. (니켈 산화강 -> 니켈매트 -> Class1 니켈)
이 과정에서 대량의 전기가 필요함.


○ 고압산침출법
고압산침출법(HPAL)을 통해 순도가 낮은 산화강으로 고순도 배터리용 니켈을 만들 수 있게 됨.
고압산침출법은 황산을 강한 압력으로 분사해 니켈의 순도를 높이는 공법
니켈산화강은 노천광산으로 개발이 매우 용이함.
니켈정제과정에서 코발트도 부산물로 나옴


칭산그룹 구리 생산공정을 전환해서 니켈을 생산할 수 있는 기술을 개발
언론보도에 따르면, 현재 생산 중지 중인 중국 구리 생산시설을 니켈생산시설로 전환할 경우 글로벌 니켈 생산량을 20% 늘릴 수 있음.

배터리용 고순도 니켈이 대량으로 필요했음에도 니켈 가격이 많이 오르지 않은 이유는 니켈매트기술과 고압산침출법을 통해 매장량이 풍부한 니켈산화강을 통해 니켈 가격상승을 억제할 수 있었기 때문.

● 2022년 초 니켈가격 폭등(2022. 03. 07. 톤당 42,995달러까지 상승)의 원인
글로벌 니켈 시장을 장악하고 있던 칭산그룹이 니켈 선물에서 숏포지션을 잡음.
투기성자금이 니켈선물 시장에 대규모로 유입되면서 니켈가격이 급등하면서 칭산그룹이 공매도 숏커버링을 하게 됨.
당일 가격 기준으로 8만달러까지 상승. 칭산그룹의 공매도 가격 2만달러대로 추정

● 국내업체 니켈 사업 동향
SK온, 에코프로, 거린메이(GEM)이 인도네시아에서 합작사를 통해 고압산침출법을 통한 Calss1 니켈을 생산할 계획
고순도 니켈과 부산물인 코발트를 국내에 들여와 에코프로머티리얼즈에서 전구체로 만들 계획

포스코의 니켈사업
포스코의 니켈 공급처 : 뉴칼레도니아(페로니켈), 인도네시아, 호주, 국내 리사이클
자회사인 SNC가 스테인리스강용 페로니켈 사업을 하고 있었음.
순도가 낮은 페로니켈을 99%까지 올리는 사업(배터리용 니켈 사업)을 포스코에서 직접 생산하기로 함.

고려아연도 황산니켈 사업진출

● 인도네시아 황산니켈 생산 프로젝트
중국 및 글로벌 기업들(대부분 중국)이 인도네시아에서 대규모의 황산니켈 생산계획을 가지고 Capa를 증설하였음.

기술의 발전(니켈매트, 고압산침출법)과 대규모 투자로 향후 니켈 가격은 하향 안정화될 가능성이 높음.
블룸버그, 2027년까지 니켈 가격은 안정화될 가능성이 높다고 보도 (니켈 기술의 발전 + 인산철배터리의 확대)


https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/1115904.html

https://www.youtube.com/watch?v=9PLiRo3OQUA
인도네시아 니켈 프로젝트 및 중국 Class1(순도 99.8%이상) 니켈 가격 추이
※ 10월 유럽 주요 8개국 전기차 판매현황

유럽 주요 8개국의 데이터에 따르면, 2023년 10월 유럽 전기차 판매량은 22.51만대로 전년동기대비 8.46증가하였으며, 전월대비로는 12.6%감소하였음. 전기차 침투율은 23.09%임.
1월부터 10월까지 유럽 전기차판매량은 220.66만대로 전년동기대비 18.51%증가하였으며, 침투율은 22.29%였음.

차종별로 10월 유럽 순수전기차의 판매는 전년동월대비 증가하였고, 전월대비로는 감소하였음.

판매량 측면에서 10월 유럽 순수전기차 판매량은 14.47만대로 전년동기대비 19.33%증가하였고, 전월대비로는 16.43%감소하였음. 플러그인하이브리드 판매량은 8.04만대로 전년동기대비 6.81%감소하였으며, 전월대비 4.74%감소하였음.

비율측면에서 10월 순수전기차의 비중은 64.27%였으며, 하이브리드의 비중은 35.73%였음.

자료인용 Minsheng Securities 발간 “10월 유럽 전기차시장 보고서” (2023. 11. 23)
※ 유럽 탄소배출 감축 정책

유럽의 탄소배출 감축에 대한 의지는 확고함.
2019년 11월 유럽연합 집행위원회는 2050년 탄소중립 목표로 “European Geen Deal”을 제시하였고, 2023년 3월 유럽의회는 2035년 유럽내 내연차 판매 중단 법안을 공식으로 승인하였음.
또한 EU는 2040년까지 상용차를 포함하여 탄소배출량을 90%까지 줄이겠다고 발표하였음.

“European Green Deal”을 촉진하기 위해 2020년 1월1일 기후 조항 2019/631이 정식으로 발효되었으며 EU는 완성차 업체들의 평균 탄소 배출 기준을 더욱 엄격하게 설정하였음.
2020년부터 2024년 기간 동안 매년 새로 등록된 차량의 평균 탄소배출량은 95g/km을 초과해서는 안되며, 2025 – 2030년 기간 동안은 2021년 평균 탄소배출량을 기준으로 승용차는 2025년 탄소배출량을 15%, 2030년에는 37.5%를 감축해야 함.

자료인용 : Minsheng Securities 발간 “10월 유럽 전기차시장 보고서” (2023. 11. 23)
DFD의 LiPF6 해외 고객사 : 엔켐(엔켐과 DFD Yangfu JV설립), 솔브레인, 미쓰비시 등

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2023년 3분기 LiPF6의 출하량은 시장의 예상과 비슷한 4만톤으로 추정.
현재 DFD의 F6생산기술은 4세대이며, 이는 고정 자산투자, 에너지 소비 및 기타 비용을 크게 감소시킬 수 있는 기술임.
DFD는 해당 기술을 통해 LiFP6 생산 시, 비용관리에 있어 업계 선두에 위치에 있으며 향후 회사는 원자재 비용 경쟁력을 더욱 향상시키고 생산능력을 확장할 예정임.

DFD의 F6 제품(LiPF6)은 한국의 엔켐, 솔브레인, 일본의 미쓰비시 등에 수출되고 있음.

자료인용 : Zhongyin Securities 발간 “DFD 보고서” (2023. 11. 07)
탄산리튬 가격을 중심으로 한 니켈 등의 배터리 소재가격의 하락은 장기적으로는 전기차가격 하락으로 이어지면서 전기차의 가격경쟁력을 더욱 높이는 방향으로 작용할 것으로 보여집니다.

특히 배터리 용량이 큰 고급대형 전기차의 가격하락 폭이 더 커질 것으로 예상됩니다.

중국에서는 이미 리튬가격 하락으로 인한 전기차 가격 하락이 계속 이어지고 있는 상황이며, 시차를 두고 유럽과 미국의 전기차 가격도 배터리 가격 하락에 맞춰 계속해서 낮아질 것으로 예상되며, 이러한 전기차의 가격 인하는 2024년부터 서서히 나타날 것으로 보여집니다.

배터리 가격 인하가 일부 소재업체들에게는 단기적으로는 부정적인 영향으로 다가설 수 있지만, 전기차 시장 확대를 가속화시킬 것이기 때문에 배터리산업 전체에 긍정적인 영향을 줄 것으로 보여집니다.

Q가 늘어나게 되면 배터리셀 업체의 경우 AMPC의 영향으로 이익단에 좀 더 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것이며, 이는 호전된 현금흐름은 배터리셀 업체들의 투자를 가속화 시켜 2차전지 소재, 부품, 장비업체들의 성장을 촉진시킬 것입니다.

시장이 너무 탄산리튬 가격동향에만 매몰되어 있는데, 이로 인한 산업흐름의 변화도 함께 고려해봐야 할 것입니다.

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※ 기사 요약 (탄산리튬가격의 하락은 전기차가격 하락으로 연결될까?)

지난 수년간의 탄산리튬가격의 극심한 가격 변동은 다운스트림의 수요도 있었지만, 투기자본 및 매점매석의 영향도 컸었음.

2024년 말에서 2025년에 탄산리튬의 공급과 수요의 균형점이 나타날 것으로 예상.

BYD에 따르면, 인산철배터리의 경우 탄산리튬이 배터리 원가의 절반 이상을 차지하고 있음.
NCM523 배터리의 경우, 탄산리튬 가격이 톤당 50만 위안을 넘었을 당시, 배터리 원가 중 탄산리튬이 차지하던 비중이 72.8%에 달하였음.


탄산리튬가격이 50만위안/톤에서 20만위안/톤으로 하락하면서, 탄산리튬 하락으로 인한 종류별 배터리 가격 하락은 다음과 같음.
77kwh용량 배터리 (럭셔리 모델) : 1.23만위안
57kwh용량 배터리 (보급형 모델) : 0.9만위안
18.3kwh 용량 배터리 (PHEV) : 0.3만위안


탄산리튬 가격이 10만위안 감소할 때마다 배터리 가격이 kwh당 50위안 감소함.
70Kwh 배터리의 경우 3,500위안이 하락.


리튬가격이 하락하면서 BYD 등 중국 업체들은 전기차 가격을 인하하고 있음.
이에 반해 테슬라는 전기차 가격을 올리는 전략을 사용 중.

https://www.d1ev.com/news/shichang/214026
※ 탄산리튬가격의 하락은 전기차가격 하락으로 연결될까?

2022년 11월 말 톤당 59만위안을 기록했던 탄산리튬 가격이 급락해 2023년 11월 27일 기준 배터리급 탄산리튬의 업계 평균가격은 톤당 13.55만위안으로 연중 최저치를 기록하였음.
그렇다면 전기차가격이 리튬가격 하락을 통해서 더욱 촉진될 수 있는지에 대한 궁금증이 커질 수 밖에 없음.


● 롤러코스트를 탔던 탄산리튬 가격

전기차용 배터리의 주요 원재료인 리튬의 가격은 전기차의 생산량과 가격의 변화에 영향을 받고 있음.
2021년 전기차 시장이 폭발적인 성장 단계에 진입하면서 탄산리튬에 대한 수요가 크게 증가하였고 리튬에 대한 관심이 커졌음.
배터리급 탄산리튬 가격은 2020년 12월 30일 5.15만위안/톤에서 2022년 11월 59만위안/톤으로 가격상승이 10배를 넘었음.

이러한 현상에 대해 北京特亿阳光新能源의 대표인 祁海珅은 “탄산리튬 가격이 최근 몇 년 동안 급등한 이유는 다운스트림에서의 수요도 증가하였지만, 투기자본, 매점매석 현상도 비교적 뚜렷했다”라고 말하였음.

여러 차례의 가격 변동 후 2023년 하반기에 탄산리튬가격은 점차 합리적 수준에서 선형하락 추세를 보여주었음.

중남대학교 교수인 张佳峰은 심리적 영향으로 인해 탄산리튬 가격이 더 하락할 여지가 있을 것으로 예상되며, 공급측에서 탄산리튬의 공급이 계속 되고 있는 가운데 수요측(전기차, ESS 등)의 개선이 있어야 한다고 말하였음. 그는 2024년 말이나 2025년에는 탄산리튬 수급의 균형점이 나타날 것으로 예상하고 있음.

탄산리튬 가격의 바닥에 대해서는, 금속업계의 한 분석가에 따르면, 탄산리튬의 최종 가격은 톤당 10만위안 이하로도 떨어질 수도 있다고 말하였음.


● 배터리 중 탄산리튬의 비중은?

일반적으로 전체 차량가격에서 배터리가 차지하는 비용은 약 40 – 60% 사이이며, 탄산리튬은 리튬배터리의 양극을 구성하는 핵심소재 중 하나임.

전기차에 주로 사용되는 배터리의 종류는 3원계와 인산철로, BYD에 따르면 현재 탄산리튬 원가가 배터리 원가의 절반 이상을 차지하고 있음.
상해유색망(上海有色网)에 따르면, 탄산리튬 가격이 톤당 50만 위안을 넘던 시절, NCM523의 원가 구조에서 탄산리튬이 차지하던 비중이 72.8%에 달하였음.


구체적으로 탄산리튬과 배터리 가격의 관계를 보면,
77kwh 용량(럭셔리모델)과 57kwh(보급형모델), 18.3kwh(PHEV모델)의 인산철배터리가 탑재된 전기차를 예로 들면,
탄산리튬 가격이 톤당 50만 위안일때 대비 탄산리튬 가격이 20만위안일 때, 각각의 배터리에서 탄산리튬의 비용은 각각 1.23만 위안, 0.9만위안, 0.3만위안이 감소하게 됨.


Leapmotor의 朱江明 대표는 “탄산리튬이 톤당 10만위안 감소할 때마다 배터리가격이 Kwh당 50위안이 감소하고, 70kwh의 배터리의 경우 3,500위안을 감소시킬 수 있다”고 말하였음.


● 탄산리튬 가격이 더 하락하고 전기차의 가격이 더 낮아질 가능성이 있는지?

BYD는 진, 한, 당, 송 등 다양한 전기차에 대해 5,000위안에서 10,000위안의 다양한 현금 할인 혜택을 제공하고 있음.
이 중 BYD의 진 DMi와 진 EV는 1만위안의 할인을 하고 있어, 가격이 89,800위안으로 하락하였음.


그러나 일련의 가격 인하 조치가 나온 이후 BYD의 주가는 크게 하락하였음.

이에 비해 테슬라는 10월 27일부터 11월 21일까지 한달 사이에 네 차례 가격 인상을 하였으며, 조만간 또 가격 인상을 할 계획이 있는 것으로 보임.

이번 테슬라의 가격 인상은 이전과는 달리, 가격 인상 예고를 먼저 배포한 후 가격을 순차적으로 인상하여 이전의 깜짝 인상과는 다른 모습을 보여주었음. 이에 따라 테슬라의 신규 주문 수도 안정적으로 유지되고 있음.

전체 전기차 및 배터리 시장이 점차적으로 합리적인 가격으로 되돌아가고 있지만 이에 대한 자본시장의 평가는 낙관적이지는 않아 보임.
전기차 가격 하락에 대한 자본시장의 반응이 좋지 못하다면 업체들도 가격을 내리는데 신중해 질 수 있음.
2024년에는 탄산리튬의 수요와 공급이 점차 균형점을 찾아갈 것으로 보이며, 더 이상 탄산리튬의 가격이 전기차가격의 풍향계가 될 수는 없을 수 있음.

https://www.d1ev.com/news/shichang/214026
국내 전고체 배터리 및 소재 개발 현황

SK이노베이션
: 2020년 노벨 화학상 수상자인 존 구디너프 미국 텍사스대 교수와 고체전해질 연구에 착수

티디엘 : 2012년 한국생산기술원으로부터 총 3차례 전해질 합성과 배터리 제조, 양극복합화기술을 이전 받아 전고체 배터리 생산기술을 완성
나주공장에서 소재합성 및 전고체전지 전극/셀 제조공정을 확보하여 국내외 업체에 판매 또는 샘플 제공을 하고 있음.

티디엘은 고체전해질 분말 생산성을 높이고자 하소 조건 변경을 통해 투입량이 늘어나더라도 Cubic 구조의 LLZO 결정구조를 갖는 합성 조건을 확보하고 있음.
또한 생산된 고체전해질을 이용한 복합시트를 제조하기 위해 슬롯다이 코터의 모노펌프 RPM에 따른 두께편차 최소화 조건과 안정적인 두께의 시트 캐스팅 조건을 도출하였음.

대주전자재료 : 2021년 10월 한국전기연구원이 자체 개발한 “황화물계 전고체전지용 고체전해질 공침 제조기술”을 대주전자재료에 기술이전

한농화성 : 전고체용 고분자 전해질 핵심소재인 가소제와 가교제를 개발

씨아이에스 : 씨아이솔리드, 티에스아이, 한국진공 등과 고체전해질 생산라인 마련을 위한 MOU를 맺었음.

이수화학 : 전고체용 황화리튬 저가화 연구를 진행 중

정관디스플레이 : 황화물, 산화물을 판매하고 있으며, 대량 생산이 아닌 배치 Scale로 수십 kg 정도의 샘플을 공급

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
글로벌 전고체전지 시장 주요 플레이어 현황

한국 : 황화물계 (삼성SDI, LG에너지솔루션), 산화물계 (삼성전기, 티디엘)
일본 : 황화물계 (도요타, 히타치, 파나소닉), 산화물계 (무라타-소니, TDK, FDK, NGK, Ohara)
중국 : 황화물계 (CATL), 산화물계 (WeLion, Qingtao Energy Development)
대만 : 산화물계 (ProLogium)
미국/캐나다 : 황화물계 (Solid Power), 산화물계 (QuantumScape), 폴리머 (Hydro-Quebec, SES Lonic materials)
유럽 : 산화물계 (STMicroelectronics, LLika), 폴리머 (Blue Solutions)

※ 프랑스 업체인 Blue Solution(Bollore Group 자회사)은 폴리머를 사용한 반고체전지를 상용화하였음.

※ 1990년대부터 파나소닉과 함께 도요타는 전고체전지에 대한 연구를 지속해오고 있으며 가장 많은 특허를 보유하고 있음.

SK이노베이션은 2021년 10월 미국 솔리드파워에 3,000만 달러 투자.
LG에너지솔루션은 미국 샌디에고대와 상온에서 고속 충전이 가능한 전고체전지를 개발하였으나 상용화는 2027년 이후로 보고 있음.
2020년 3월 전기 자동차용 전고체전지 프로토 타입을 발표한 삼성SDI는 삼성종합기술원 등과 공동으로 2027년 상용화를 목표로 연구/개발을 진행 중임.

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
산화물계 고체전해질 산업 및 시장 분석

고체전해질은 전지의 전압과 에너지 밀도를 증가시키는 초이온 전도체로, 빠른 확산으로 인해 상대적으로 높은 이온 전도도를 나타내고, 불연성이며 더 긴 사이클 수명을 지녔음.
또한 급속 충전이 가능하여 고전력의 애플리케이션에 사용할 수 있으며, 그 외 전기자동차, 웨어러블 및 드론 시장에서 폭넓게 이용될 수 있음.

전고체 배터리용 고체전해질 재료로는 세라믹, 폴리머, 유리, 황화물, 산화물, 리튬 인 산실화물(LiPON), 리튬 붕인산(LiBP)등이 있으며, 인산염, 폴리실록산, 폴리우레탄, 폴리에테르, 폴리에스테르 및 니트릴 기반 전해질과 같은 다양한 기타 화학물질/재료도 연구 개발되고 있음.

고체전해질은 높은 에너지 밀도가 가능하고 단락을 방지하여 배터리의 고효율화뿐 아니라 수명을 연장할 수 있음.

산화물계 고체전해질은 무기/세라믹 전해질의 일종으로 공기에 대한 화학적 안정성이 높음.
고체 산화물 전해질은 고체 상태의 리튬 배터리에도 널리 사용되지만, 황화물보다 이온전도도가 낮으며, 단단한 세라믹 성질을 가지고 있어 전극-전해질 계면에서 접촉이 좋지 않음.

산화물 기반 고체전해질 소재의 수요는 주로 전기차 및 ESS 등 안전성이 요구되는 중대형 전지를 사용하는 산업의 성장에 의해 주도되고 있음.
그 외 웨어러블 장치 및 RFID 태그에서 의료기기까지 다양한 분야에서 응용되고 있음.
의료기기 산업에서는 온도센서, 심장 박동기 및 스마트 패치 등에 사용되고 있음.

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
산화물 기반의 고체전해질 분야의 밸류체인

산화물 기반의 고체전해질 소재는 전고체전지의 시스템 내에서 생성되는 리튬이온의 전달 및 이송용 핵심부품으로 사용됨.

산화물 기반의 고체전해질 소재는 복합고체전해질 시트 및 양극층 내에서 이온전도 path를 증가시켜 주고, 시트의 기계적 특성, 리튬 덴드라이트 억제 등 기존 고분자 이온전도체의 한계를 극복하는 핵심 기능으로 활용

산화물계 고체전해질 소재는 NCM 양극 기반의 전고체 리튬이차전지 외에도, 리튬-황, 리튬-에어 전지의 전고체화에 요구되는 핵심소재로서 활용될 수 있음.

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
산화물 기반 고체전해질 소재

“산화물기반 고체전해질”은 산화물 상태에서 리튬 이온전도성이 우수하고 분말의 입도 및 형상제어에 의해 고효율 복합고체전해질 시트 및 복합양극, 그리고 전고체리튬전지를 구현하는 산화물계 고체전해질 소재임.

고체전해질 소재는 주로 무기 고체전해질, 유기(고분자) 고체전해질로 분류되며, 무기 고체전해질은 고분자 고체전해질과는 달리 유연성 측면에서는 불리하지만, 본질적으로 불연성이기 때문에 안전성면에서 매우 우수하고 리튬이온(Li+)만이 전도하는 높은 수율의 이온전도(Single-ionic conduction) 특성을 나타냄.

무기고체전해질 결정재료에 해당하는 산화물 기반의 고체전해질은 Garnet형 LLZO, NASICON형 LATP, 페소스카이트형 LLTO 등이 있으며, 최대 ~10-3 S/cm정도의 이온전도도를 가지고 있음.

산화물 기반의 고체전해질은 분말상태로서 전고체전지의 고체전해질 시트 및 양극의 설계 요건에 따라 소결에 의한 산화물 상태의 펠렛 시트, 그리고 산화물 기반의 고체전해질 분말과 고분자/리튬염과의 복합화에 의한 복합고체전해질 시트로서 제작될 수 있음.

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
산화물 기반 고체전해질 소재 및 복합고체전해질 시트의 개발 필요성

산화물 기반의 고체전해질 소재는
이온전도성이 대체로 우수하지만 매우 rigid한 특성으로 인해, 산화물만으로 전기차 등 중대형의 전고체 전지를 제작하는 데 요구되는 고체전해질 시트 및 양극, 전고체 전지 Ass’y등 대면적 제조기술에는 한계점이 있음. (소형 IT기기용으로 보다 먼저 적용될 수 있음)

산화물 기반의 고체전해질 소재를 고분자/Salt와 복합화하는 복합고체전해질 시트 기반의 전고체 전지가 실질적 대안이 되고 있으며, 복합고체전해질 시트에서 산화물 이온전도체의 결정구조 및 물리적 형상 등이 이온전도 특성에 큰 영향을 주고 있음.

복합 양극에도 고체전해질 소재 적용이 필요하며, 핵심 소재로는 고성능 및 고효율의 산화물 기반의 고체전해질 소재의 연구개발 및 산업화 기술이 요구되고 있음.
자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화

자료인용 : 중소벤처기업부 발간 “중소기업 기술국산화 전략품목 상세분석(미래소재)”
● 고전위창 가넷구조 LLZO(Garnet형 Li7La3Zr2O12) 전구체 합성공법

티디엘의 “(차세대 2차전지) 산화물계 고체전해질 및 황화물계 고체전해질이 코팅된 양극활물질 및 이를 포함하는 전고체전지(10-2388591)”가 2022년 11월 대한민국 발명특허 대전 대통령상 수상.

전고체전지는 액체 전해질이 없기 때문에 구성 요소인 전극 사이의 저항이 커지게 되는데, 티디엘은 이러한 문제점을 하이브리드 양극과 밀도가 다른 전해질층을 두어 한계를 극복하였음.
이는 추가물질 없이 전극과 고체전해질 사이 경계면의 계면저항을 감소시키는 계면 제어기술을 확보했기 때문에 가능.

티디엘의 2023년 보유하고 있는 전고체전지 관련 국내외 특허는 41건.

● 관련기술

○ 공침법(Co-precipitatation ; 2성분계 이상의 다성분계 촉매의 제법)의 원리
- 침전법의 일종으로 양이온 용액(금속 염 용액)과 음이온 용액(침전제)를 일정한 양과 속도로 넣음에 따라 반응하면서 핵과 결정을 성장 및 응집 시키는 원리이며, 결정성장 및 응집으로 인해 무거워진 입자는 용액과의 비중차로 침전됨.

- 공침법의 장점 : 고순도, 재현성, 조성설계 용이, 대량생산화 가능, 경제성, 균일성

○ 개발 완료된 전구체, 고제전해질, 고체전해질 시트, 전고체 전지
▷ 전구체 / 고체전해질 분말
- 분말입도 : < 1 – 10㎛
- 이온전도도 : ~ 10-3S/cm@RT
- 전위창 : 0 ~ 6.0 V@RT

▷ 고체전해질 시트
- 폭 : 15cm
- 두께 : < 80㎛

▷ 전고체 전지
- 에너지밀도 : 180Wh/kg, 600Wh/L
- 출력밀도 : 200W/kg
- 용량 : 0.1Ah, 2Ah, 5Ah, 10Ah, 20Ah
- 안정성
- 비발화성(non-flammable)
- 높은 전압안정성 (>5.0V)

○ 쿠에트-테일러 반응기를 통해 LLZO 전구체 합성
- 와류쌍은 섞이지 않으며 반응이 진행될수록 입자가 성장

○ 복합 고체전해질 시트 : 습식공정에 의해 제조된 유연성 있는 복합 고체전해질 시트
- 복합 고체 전해질 시트의 상세구조 : LLZO 계면을 고분자로 제어
- 고분자가 없을 때의 LLZO : 밀착되지 않은 계면에서 이온전도가 일어나지 않음.
- 고분자가 있을 때(고분자 바인더)의 LLZO : 소량의 고분자를 도입했을 때 LLZO의 계면에서 이온전도를 도와 실질적으로 원할한 이온전도가 일어날 수 있음.

○ 양극복합화
- 양극활물질 + LLZO분말 + 고분자 바인더 + 도전재를 믹싱 = 양극슬러리
- Slurry Casting을 AI 집전체(알박)에 코팅 (진공건조)
- 이후 롤 프레싱 작업후 배터리 크기로 커팅함.

○ 복합 고체전해질 시트 제작
- LLZO분말과 고분자바인더를 혼합하여 고체전해질을 만든 후, 지지체 필름에 부착

○ 리튬메탈 음극

○ 전고체 전지 단위셀 구성
구리집전체 + 음극(리튬메탈) + 복합 고체전해질 시트 + 양극합재 + 알루미늄 집전체를 합침.

○ 전고체전지 단위셀 구성
- 복합양극 + 복합고체전해질시트 + 리튬(음극)
- 10단 적층(스태킹) 37V 단위셀 = 8Wh 바이폴라 전고체리튬이자전지 셀
- 단자 + 전고체 셀 + 바이폴라 기판
- 전지가 41V충전과 30V 방전을 반복
- 단전기 : 바이폴라/모노폴라
- 10Wh급 모노폴라
- 전고체 리튬이차전지 셀/스택 (2.7Ah, 평균방전전압 3.75V)
- 에너지 밀도 : 150Wh/kg, 500Wh/L

https://www.youtube.com/watch?v=1HLCgjemxgs
※ 테슬라 4680배터리 (1)

테슬라 사이버트럭의 첫번째 고객인도에 맞춰, 4680배터리에 대한 시장 관심이 높아지고 있는 상황입니다.

개인적으로 이전에는 원통형보다 파우치형이 배터리 폼팩터 시장을 지배할 것으로 봤었지만 파우치형이 대형화 되면서(롱셀) 파우치형 배터리의 단점도 함께 나타나고 있는 상황입니다.
예를 들면, 가운데 하중 집중으로 인한 셀의 변형, 최초 디개싱 이후 가스배출이 안되는 점, 전해액을 주입 후 전해액이 잘 스며들게 하기 위해 롤로 소재를 압착해야 하기 때문에 실리콘 음극재 적용 시 음극 팽창에 효과적으로 대처하기 어려움, 셀이 무거워지고 용량이 늘어남에 따라 안정성을 위해 파우치의 두께를 높여야 함. 등의 단점을 지니고 있습니다.

때문에 좀 더 높은 에너지밀도를 지닌 배터리를 만들기 위해서 4680 폼팩터에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
이후 파우치 배터리도 기술 개발을 통해 이 문제를 해결할 수 있다고 보지만, 현재 단기적으로는 4680폼팩터에 대한 관심이 늘어나는 것은 분명한 사실입니다.

아직 4680이 양산기술이 완성되지 못했기 때문에 실제적인 양산은 2025년 정도를 예상하고 있지만, 4680에 대한 시장 관심은 상대적으로 높아질 것으로 보여집니다.

또한 4680에 대한 관심이 높아지면서 관련 소재에 대한 관심도 높아질 것으로 보여지는데, 그 대표적인 소재가 실리콘음극재, SWCNT와 특수리튬염인 LiFSI입니다. (단 2025년 4680배터리에 대한 상업적 양산이 가시화되어야 관련 매출로 이어질 수 있습니다.)

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● 테슬라 4680 배터리

테슬라는 4680 배터리의 생산능력을 221Gwh로 계획하고 있으며, 2023년 10월 텍사스 기가팩토리에서 누적 2000만개의 4680배터리 셀을 생산하였음.
테슬라 외에도 셀업체로는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, 파나소닉, CATL, EVE 등이 4680배터리를 준비 중에 있으며, BMW, Nio 등이 완성차 업체가 4680배터리의 채택을 준비 중임.


● 4680배터리 셀과 연관 소재

4680셀은 여러 소재단 업체들에게 새로운 기회가 될 것임.
4680은 하이니켈을 채택하여 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 다른 폼팩터(파우치, 각형)에 비해 열 안정성에서 장점을 가지고 있음.
보다 커진 실린더는 실리콘 기반 소재의 팽창률에 대한 내성을 더욱 향상시킬 수 있음.

실리콘-탄소 기반 음극과 하이니켈 조합은 4680 실린더 배터리의 에너지 밀도를 더욱 유리하게 만들 것임.

재료적 특성으로 볼 때, LiFSI는 기존 LiPF6보다 분해 온도가 높고 화학적 특성 및 열안정성이 더 좋아 4680 배터리에서 사용량이 증가할 것.

자료인용 : Eastmoney Securities 발간 “테슬라 4680배터리 보고서” (2023. 11. 29)
※ 테슬라 4680배터리 (2)

● 배터리 폼팩터 별 장단점


각 배터리 폼팩터는 각기 장단점을 지니고 있는데,
각형 배터리는 제조에 있어 효율성이 좋고, 안정성, 설계 유연성, 사이클 수명 및 충방전 배율 측면에서 우수하지만 전해액의 누액이 발생하기 쉬운 단점을 지니고 있음.
또한 고팽창에 대한 화학시스템(실리콘-탄소 음극)이 원통형 만큼 좋지는 않음.

원통형 배터리는 공정이 성숙하고 Packing 비용이 저렴하여 수율을 잡기가 용이하고 배터리 팩의 일관성이 좋음. 또한 배터리 팩의 방열 면적이 넓기 때문에 방열 성능이 우수함.
단점으로는 단일 셀 용량이 낮고, 셀의 숫자가 많아 BMS 관리가 어려움. (예, 모델 Y 한 대에 약 4,416개의 2170배터리가 필요) 또한 원통형 배터리는 원 모양의 절단면으로 인해 모듈의 공간 활용도가 낮아 모듈기준으로 부피당 에너지 밀도가 낮음.


● 4680 배터리는 기존 원통형 배터리 산업을 혁신할 것

기존 2170 및 1865 원통형 배터리 셀은 용량이 낮고 BMS 제어 난이도가 높으며, 4680은 이러한 기존 배터리의 단점을 보완해줄 수가 있음.

테슬라는 2020년 9월 베터리데이에서 직경 46mm, 높이 80mm의 4680 배터리 셀을 발표하였는데, 46mm는 배터리 크기는 많은 연구를 통해 알아낸 최적화된 직경임.
테슬라에 따르면, 4680배터리는 탭리스와 실리콘+탄소 음극 및 기타 신소재와 신기술을 적용하면서 에너지 밀도를 5배, 출력은 6배 증가시킬 수 있고(2170 셀 대비), 동시에 전기차의 지속성은 54%, 킬로와트시 당 배터리 가격은 56%, 생산비용은 69% 절감할 수 있다고 말하였음.

4680은 개별 셀의 용량증가로 에너지 밀도를 증가시키고 기존 배터리의 실린더 부피의 낮은 에너지 밀도의 단점을 완화시킬 수 있음.
부피와 에너지 밀도가 증가함에 따라 배터리의 개당 용량이 증가하고 필요한 배터리의 수가 감소하여 BMS제어의 어려움이 감소하여 배터리 팩의 고장확률을 크게 줄일 수 있음.
배터리 수가 감소하면 BMS에서 샘플링 된 칩의 수도 크게 감소하여 BMS의 하드웨어 비용도 절감됨.

4680 배터리는 양극재, 음극재, 팩키징 기술 및 배터리 구조에 있어 기존 원통형 배터리에 혁신을 가져올 것이며, 전체 산업 체인의 기술혁신도 주도할 것임.

자료인용 : Eastmoney Securities 발간 “테슬라 4680배터리 보고서” (2023. 11. 29)
※ FEOC와 전해액 : 2024년부터 중국 물량 대체시작

● (현재 가동 중 또는 2024년 가동예정인) 미국 주요 배터리 생산시설 및 전해액 납품밴더


LG에너지솔루션 미시건 공장 : 솔브레인홀딩스, Guotai(중국)
얼티엄셀즈 1공장 (오하이오) : 엔켐, Capchem(중국)
얼티엄셀즈 2공장 (테네시) / 2024년 상반기 가동예정 : 엔켐, 미쓰비시(일본)

SK온 조지아공장 : 엔켐, 솔브레인홀딩스

테슬라 프리몬트 : Tinci(중국)
테슬라 텍사스 : 엔켐, Tinci(중국)

파나소닉 네바다공장 : 미쓰비시(일본)
파나소닉 캔사스공장 : 미쓰비시(일본)


● 2024년부터 중국산 전해액 물량을 대체해야 함.

FEOC가 미국시간 12월 1일에 발표되었으며, 배터리 부품에 대해서는 2024년부터 핵심광물은 2025년부터 해외우려단체로 지정된 업체의 부품/소재/광물을 사용하면 IRA 보조금혜택을 받을 수가 없게 됩니다.

이에 미국에 먼저 진출해 있는 국내 전해액 업체들이 가장 큰 수혜를 볼 것으로 예상하고 있는데, 이는 2024년부터 중국산 전해액을 사용하기 어렵게 되기 때문입니다.

현재 미국에서 가동중인 배터리 공장 중, LG엔솔 미시건 공장(궈타이), 얼티엄셀즈 1공장(Capchem), 테슬라 프리몬토 (Tinci) 및 텍사스 (Tinci)공장이 중국 본토에서 생산된 중국업체들의 전해액을 사용해왔습니다.

기존 IRA법안에서는 매년 10%씩 비율을 높여가며(최종 100%), 북미에서 생산된 전해액을 사용해야 했으나, 이번 FEOC 발표로 인해 2024년부터 북미 배터리 공장들은 중국업체의 전해액을 사용할 수가 없게 되었고, 이들 물량은 현재 현지에서 전해액을 생산하고 있는 엔켐, 솔브레인홀딩스, 미쓰비시의 전해액으로 대체될 것으로 예상됩니다.

특히 가동률이 올라가고 있는 얼티엄셀즈 1공장(오하이오)의 Capchem 물량이 엔켐으로 대체될 것으로 보여지고, 테슬라의 프리몬트, 텍사스의 Tinci물량이 현지에서 전해액을 생산하는 업체 물량으로 대체될 것으로 보여집니다. (엔켐 유력)
또한 LG에너지솔루션 미시건 공장의 Guotai 물량도 솔브레인홀딩스 물량으로 대체될 가능성이 높습니다.

이번 FEOC로 인해 가장 빠르게 실질적인 수혜를 보는 소재는 북미에서 중국 업체들의 물량을 대체해야 하는 전해액이 될 것으로 보여집니다.