실리콘계 음극 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘-카본(Si/C) 복합체, 실리콘 합금(Si Alloy)으로 구분된다. 이 중 SiOx(실리콘 산화물)는 약 1,500mAh/g의 이론 용량을 갖는다 [도표 110].

현재 흑연에 첨가되는 SiOx 함량은 5%~7% 수준으로 EV용으로는 포르쉐 타이칸에만 적용되고 있으며(대주전자재료 공급), 타이칸에 공급하는 실리콘 음극재의 초기 효율은 약 85% 내외로 알려져 있다. 다만 실리콘 첨가 비율 10% 이상이 되어야 에너지 밀도 개선 및 충전 시간 단축 효과가 크기 때문에 코팅, 도전재 개발 등을 바탕으로 기술 개발이 진행중이다. 더불어, 초기 효율을 높인 제품들을 지속 선행하여 개발되고 있고, 동시에 주력 제품 외 차기 제품도 R&D를 진행 중인 것으로 파악된다.

SiOx는 순수 실리콘보다는 용량이 낮지만 충방전 과정에서 생성되는 산화물(Li2O, Li4SiO4 등)이 실리콘의 부피 팽창, 수축의 완충재로 작용하여 구조적 붕괴를 방지하는 역할을 한다. 이에, 사이클 수명이 보다 안정적인 형태를 보인다. 다만, 최초 사이클 이후 낮은 충방전 효율, 부피 팽창에 의한 사이클 감소 등 해결해야 할 기술적 과제가 많이 남아 있다.

실리콘 카본 복합체는 실리콘을 나노화 한 후, 이를 흑연과 혼합해 복합화 하는 방식이다. 일반적으로 SiOx는 Si/C 대비 초기 효율은 높지만, 양산 과정이 상대적으로 복잡해 비용 이슈가 있는 것으로 알려져 있다. 

테슬라의 경우, 경제성을 동시에 고려하기 때문에 SiOx에 코팅 기술을 활용할 계획이다. 그리고 중국, 한국, 일본 기업들은 SiOx 또는 Si/C 복합체에 SWCNT 도전재 적용으로 진행되고 있다.

실리콘 음극재 시장 규모는 30년까지 연 평균 49% 성장할 것으로 예상한다. 2030년 기준 실리콘 음극재의 사용 비중은 음극재 전체의 중량 기준 8% 수준이지만, 높은 ASP로 인해 전체 음극재 시장 규모(금액 기준) 대비 실리콘 음극재 시장 비중은 30%에 달할 것으로 예상한다 [도표 102].

실리콘 음극재의 대중화와 보급 확대를 위해서는 생산성을 높이는 것이 주안점이다. 실리콘이 흑연 음극재 대비 중량 당 가격이 높은 이유는 안정적으로, 높은 생산성 하에서 양산하기 어려웠기 때문이며, 앞으로는 생산성을 우선 개선 후, 이를 기반으로 수익성을 확보한 상태에서 단가를 합리적으로 낮춰가려는 노력이 필요하다

현재 대주전자재료의 실리콘 음극재 단가는 $60~$70/kg로 알려져 있으며, 흑연계 ($6~$7/kg) 대비 높은 수준에 형성되어 있다. 다만, 아직 전체 음극재 중량 중 일정 비율을 첨가하는 형태인 첨가제 형태로 쓰이고 있기 때문에 아직까지 원가 부담은 크지 않다 [도표 101] (10% 첨가, $70/kg 가정 시 75KWh 배터리 기준 EV 대당 비용 증가분은 $520 수준)

배터리의 원가를 분석해 보면, 2022년 기준 재료비 비중이 약 60% 이상을 차지하고 있으며, 이 60% 중 양극재 원가가 70% 이상(NCM8 시리즈 기준)을 차지한다. 상대적으로 고가인 광물을 사용하는 동시에 연중 급등한 메탈 가격으로 양극재의 원가 비중은 전체 배터리 재료비 중 70%, 전체 배터리 원가 중 약 35%~40% 차지한다 [도표 45].

NCM811 기준 양극재의 원가를 분석해보면, 리튬과 니켈의 비중은 각각 27%, 58%로, 니켈과 리튬의 합산 비중이 약 85%를 차지한다 [도표 46]. 다시 말해, 전체 배터리에 사용되는 광물의 원가 중 니켈과 리튬만 적절하게 조달 하여도 법안의 요건을 충족할 수 있다. 단기 법안 요건 충족을 위해서는 리튬과 니켈의 소싱이 주안점이다.

23년에는 배터리에 사용되는 광물의 전체 가격 중 40% 이상에 대해 미국 및 우방 국가에서의 광물 조달이 필요하다. 22년 4분기 기준 현 시점의 메탈 시세가 앞으로도 유지된다고 단순하게 가정하면 양극재에 사용되는 광물의 원산지만 조정하여도 70%의 요건까지는 충족할 수 있다.

탈 중국화에 대한 대응 방안은 아직까지 불투명 

장기적으로 배터리 소재의 탈 중국화가 필요한 것은 자명하지만, 현재 니켈을 제외한 전체 핵심 광물 정제련 시장의 50% 이상을 점유하고 있는 중국의 공급망 배제 정책은 단기에 달성하기 쉽지 않을 것으로 판단한다.

다만, 향후 법안의 세부 항목이 어떻게 설정되는 지와 무관하게 현 시점 판단 가능한 부분은 핵심 광물 자체 공급망 확보의 중요성이 이전 보다 높아졌다는 점이다. 실제로 IRA 법안 통과를 기점으로 기업들의 현지 지분 투자, 장기 공급 계약 등의 광물 투자 활동이 활발하게 진행되었다 [도표 42].

또한, 북미 역내 생산 시설 확보의 중요성이 부각되었다. 역내 생산을 유도하는 분위기는 USMCA 및 BBB 법안을 통해 이전부터 엿볼 수 있었지만, 앞으로 역내 공급망 확보는 해외 진출의 필수 요건이 될 것으로 보인다.

대당 탑재 용량 증가는 BEV 비중 및 픽업 트럭 비중이 높은 미국 시장의 본격 성장 및 하이니켈 배터리 공급 확대에 따른 현상 때문이다. 2021년 미국 전체 완성차 판매 중 픽업트럭 비중은 16%를 기록했는데, 중장기 EV 내에서도 비슷한 비중으로 수렴해 갈 것으로 예상하며, 픽업트럭의 대당 배터리 탑재 용량이 평균적으로 100KWh 이상에 형성되어 있기 때문에 전체 평균 탑재 용량도 증가할 전망이다

니켈 비중 90% 이상의 하이니켈 양극재를 사용할 것으로 예상되는 차종 또한 실리콘 음극재를 필요로 할 것이다. 전체 양극재 탑재량 중 니켈 80% 이상 하이니켈 양극재 사용 비중은 2021년 28%에서 2030년 62%로 확대될 전망이다.

미국 픽업트럭 시장의 확대와 하이니켈 배터리 수요 증가가 맞물려 충전시간 단축에 대한 수요가 확대될 것으로 예상하며, 실리콘 음극재 시장은 본격적인 개화 구간에 진입할 것으로 기대된다

한국 입장에서는 배터리용 리튬을 전량 수입에 의존 하고 있고 특히 중국으로부터의 수입이 64%에 달한다. 따라서 국내 배터리 공급업체들 입장에서는 중국의 광석 제련 공급망의 빈자리를 대체할 수 있는 국내 업스트림 업체들을 확보 하는 것이 급선무이다.

롯데케미칼 LBM USA와 롯데알미늄USA는 지분율 각각 70:30으로 미국 내 최초 양극박기지를 설립했다. 2025년 완공을 목표로 총 3.6만톤이 지어지며, 정상 가동 시 매출액은 3천억원 가량이 예상된다.

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참고로, 롯데알미늄의 양극박은 배터리 셀 3사가 주요 고객이며, 삼성SDI향 비중이 높은 것으로 파악된다. 2021년 롯데알미늄은 조일알미늄과 양극박 원재료 공급에 대한 MOU를 맺기도 했다.

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2021년 5월 롯데케미칼은 충남 대산 전해액 유기용매 투자를 발표했고, 2023년 하반기 완공을 목표로 2.1천억원을 투자해 연산 EC 3.8만톤, DMC 7만톤 규모의 공장을 짓고 있다.(EMC(에틸 메틸 카보네이트), DEC(디 에틸 카보네이트))

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이번 대산 투자에 이어 배터리 고객사가 위치한 미국/독일 등에서의 투자도 기대된다. 2022년 6월 롯데케미칼은 미국 루이지애나주 Lake Charles, 독일 Marl 등에서 Sasol과 사업 추진을 위한 MOU를 체결한 바 있다.

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약 30만톤/년의 EO를 보유한 Sasol이 및 원재료를 공급하고 롯데케미칼의 EMC/DEC 기술력을 접목하는 방식으로 진행될 전망이다. EO는 폭발성이 강해 이동이 어렵다는 특성 때문에, 전해액 유기용매 공장은 EO 생산과 인접한 곳에 지어져야 한다. 또한 최근 미국 IRA 법안의 Tax Credit 대상에 솔벤트가 해당하기 때문에 이에 대한 수혜도 가능하다.

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2022년 기준 일진머티리얼즈의 동박 Capa는 6.4만톤(한국 익산 2.4만톤 + 말레이 4만톤) 이나, 말레이(IMM테크놀로지)의 3~4공장 총 2만톤은 2021년 말 완공되고 5월부터 가동을 시작해 2022년 말 기준 말레이 Capa는 총 4만톤에 달하게 된다. 3~4공장의 실적은 3Q22부터 실적에 반영된다. IMM테크놀로지는 추가적으로 6천억원을 투자해 2024년까지 5만톤을 추가 증설할 계획이다. 2024년 총 11.4만톤(한국 2.4만톤 + 말레이 9만톤) 체제를 갖추게 되는 셈이다 

- 롯데케미칼은 다소 늦은 감은 있으나 최근 일진머티리얼즈의 지분 53.3%를 인수하면서 의미 있는 배터리 소재 플레이어로서의 참전을 선언했다

- 롯데케미칼은 그룹 내에 흩어져 있는 각종 전지소재 사업을 한데 묶기 위한 작업을 진행 중이다.

- 전지소재 사업단을 신설했고, 2022년 6월에는 미국 내 배터리 소재 투자 지주사인 LBM USA(Lotte Battery Materials USA)를 델라웨어주에 설립했다.

- 롯데케미칼 LBM과 롯데알미늄 Lotte Aluminium USA는 3,300억원을 투자해 2025년 상반기 양극박 3.6만톤 생산 합작법인을 설립할 계획(롯데케미칼 지분율 70%)이다

- 향후 일진머티리얼즈 또한 LBM을 중심으로 재편될 것으로 보인다.

- 롯데케미칼 배터리 소재사업은 1) 미국에서의 사업 경험과 원료 조달 이점 등을 바탕으로 IRA 법안의 수혜를 누릴 수 있으며 2) 일진머티리얼즈 인수를 통해 고객사와 경쟁하지 않는 구도를 만들어 갈 수 있다는 것이 최대의 장점이라 할 수 있겠다.

LG그룹의 리튬 조달 전략: 해외업체 장기계약 및 POSCO홀딩스 협업 

언론을 통해 파악 가능한 장기공급 계약 물량은 2026년 기준 4.3만톤으로 LG화학 양극재의 니켈 필요량을 감안할 때, 장기공급 계약 비중은 현재 60%내외에서 26% 까지 하락한다. 

LGES의 수산화리튬, 정광/염호 계약은 LG화학보다 더 큰 규모이며 2026년 기준 9.4만톤 수준이다. 하지만, 이 또한 현재 장기공급계약 비율 23%에서 2026년 27%로 크게 개선되지는 않는다. 또한 자급율은 물론 0%다. 

바로 이 대목이 우리가 POSCO홀딩스와 LGES의 MOU를 의미 있게 생각하는 이유다. POSCO홀딩스는 지분을 82% 보유한 호주 필바라 포스코리튬솔루션을 통해 수산화리튬 4.3만톤을 생산할 계획이며, 포스코아르헨티나 는 Humbre Muerto 염호에서 2025년 수산화리튬 5만톤을 생산할 예정이다 

2030년 리튬 생산량 목표치는 30만톤이다. 2027년 기준 포스코케미칼의 양극재 Capa 50만톤을 가정 하면 수산화리튬은 30만톤이 필요한데, 이 중 60%인 18만톤을 POSCO홀딩스로부터 조달할 계획임을 감안하면 대략 5만톤이 외부 판매가 가능하다. 

- LGES의 Capa는 2022년 200GWh에서 2026년 567GWh로 3배 가까이 늘어날 전망이다.

- 이에 따라, 양극재의 필요량(NCM 811 기준)도 2022년 28만톤에서 2026년 79만톤으로 대폭 늘어난다.

- LG화학이 지금까지 발표한 양극재 Capa 전망을 감안하면 양극재 내재화율은 2022년 30% 초반에서 2026년에도 비슷한 수준으로 유지될 가능성이 높다.

- LG화학의 양극재 Capa 또한 2022년 말 기준 8.8만톤에서 2026년 26만톤으로 약 3배 가량 증가할 전망이기 때문이다

- 이는 2022년 하반기 신규 가동되는 청주 No.4(3만톤)에 이어 2025년 완공예정인 구미 6만톤(화유코발트 자회사와 JV. LG화학 51%: B&M 49%), 잠재적인 북미/유럽향 증설 가능성 등을 감안한 수치다

- LGES의 공격적인 수주 행보와 양극재 내재화율의 추가 상향을 위해서라도 LG화학의 양극재 추가 증설 발표는 이어질 가능성이 높다.

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- 2022년 LG화학의 전구체 내재화율은 50~60% 로 추정되는데, 2025년~26년 구미 양극재 공장 및 북미/유럽 공장이 완공되는 시점의 그것은 30~40%로 큰 폭 하락한다

- LG화학은 현재 30% 내외인 하이니켈 양극재 비중이 2023년부터 대폭 늘어날 가능성이 높다. 하이니켈 양극재의 크랙 등 물성 한계를 극복하기 위한 전구체 자체의 Bi-Modal(소입자-대입자 혼합), 단결정 전구체 수요 증가 등 전구체의 기술력이 곧 양극재의 기술력이라는 측면에서 전구체의 내재화는 필연이라는 판단이다

- 실제 LG화학은 니켈 함량 70% 이상의 하이니켈 양극재에 대해서는 전구체 단계부터 직접 개발 해오고 있는 것으로 파악된다.

- 배터리 제조 과정에서 그 중요성이 가장 큰 광물 자원 5개(리튬, 니켈, 코발트, 망간, 구리) 에 대한 매장, 생산, 제련 시장 점유율을 보면 상위 3개 국가의 점유율이 매우 높음을 알 수 있다.

- 매장량 기준으로 살펴보면, 상위 3개 국가 점유율은 리튬 76%, 니켈 61%, 코발트 72%, 망간 79%, 구리 43%로 상위 국가들로의 집중도가 매우 강하다.

- 생산량 기준으로 살펴보아도, 상위 3개 국가 점유율은 리튬 90%, 니켈 58%, 코발트 81%, 망간 72%, 구리 53%로 일부 국가에 집중돼 있다.

- 이보다 큰 문제는 제련 시장의 점유율이다. 제련 시장 역시 상위 3개 국가 점유율은 리튬 99%, 니켈 79%, 코발트 99%, 망간 100%, 구리 %로 상위 국가들로의 집중도가 강한데, 문제는 해당 시장내 중국의 점유율이 리튬 59%, 니켈 65%, 코발트 82%로 압도적이라는 점이다

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