배터리 소재 및 광물 충족 요건 관련해서 현재 글로벌 배터리 밸류체인 내 중국 의존도가 매우 높은 상황이나, 소재는 국내 업체들의 활발한 북미 진출로 상당부분 탈중국화 가능할 것으로 전망한다

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배터리 주요 소재별 21년 시장점유율은 양극재(중국 58%, 한국 22%), 음극재(중국 68%, 한국 8%), 분리막(중국 53%, 한국 13%), 전해액(중국 72%, 한국 8%) 수준이다.

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다만, 광물은 단기간 내 중국 의존도 완화가 쉽지 않을 것으로 전망한다. 현재 리튬, 니켈 등 배터리 핵심 광물 대다수가 50% 이상 중국산이며, 특히 흑연(음극재 원료)은 중국산 비중이 거의 100%에 달해 중국 외 대체가 현실적으로 불가능한 상황이다.

2023년부터 주요 배터리 셀 업체들은 실리콘 음극재 채택을 본격화할 전망이다(실리콘 음극재 농도: 2023년 5% -> 2024년 10%). 음극재 성능을 향상시킬 경우 ① 에너지밀도를 추가적으로 향상시키고, ② 충전 속도를 30% 가량 단축시킬 수 있기 때문이다. 

음극재는 이차전지 충전시 양극재에서 나오는 리튬 이온을 받아들이는 역할을 한다. 흑연(Graphite)은 구조적 안정성이 우수하기 때문에 오래 전부터 지금까지 꾸준하게 음극재의 소재로 가장 많이 사용되고 있다 

흑연은 아주 규칙적인 형태로 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 층상구조이다. 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 도달한 리튬 이온은 흑연층 사이에 저장된다 

지난 2~3년간 주요 완성차 업체들과 배터리 셀 업체들은 에너지밀도를 높여 주행 거리를 늘리는 동시에 배터리 가격(에너지용량당 판가)을 떨어뜨리기 위한 방법으로 양극재 개발에 집중해왔다. 

최근 전기차 배터리 시장은 에너지밀도 향상을 위해 양극의 하이-니켈化가 활발히 이루어지고 있다. 이때 음극에서의 리튬 이온 수용 능력 증대가 함께 뒷받침 되어야 하기 때문에 실리콘 음극재의 적용이 필수적이다. 이제는 배터리 업체들이 음극재 관련 성능을 개선시키기 위해 적극적으로 움직일 차례이다. 

일부 기업이 국내외 제련/채굴사업을 진행하고 리튬 수입처 다변화를 위해 노력 중

- (리튬 채굴) 포스코 그룹은 아르헨티나 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 염호에 총 8.3억 달러를 투자해 2024년부터 연간 2.5만 톤 LCE의 리튬을 채굴할 계획

- 포스코 그룹은 광권 인수에서부터 탐사, 공장 건설 및 운영 등 전 과정을 아우르는 국내기업으로 4년 전부터 아르헨티나 리튬 채굴사업에 주력했으며 남미 리튬 사업에 꾸준히 투자

- (광권 구매) 2018년 호주 갤럭시社로부터 2.8억 달러에 광권을 매입해 옴브레 무에르토 염호의 북측 지역 약 1.7만ha 규모를 보유하고 있으며 2020년 파일럿 공장을 구축

- (향후 계획) 올해 상용 설비를 구축한 포스코는 2단계 투자를 진행 중으로 2024년말까지 리튬 양산 규모를 연 5만 톤으로 증산하고 2028년에는 최대 10만 톤까지 확대할 계획

(리튬 제련) 국내에서 제련 리튬 양산 기업은 에코프로이노베이션 한 곳이며, 현재 광양 율촌산업 단지에 포스코의 수산화리튬공장이 건설 중(2023년 준공 예정)

- (에코프로이노베이션) 양극재 기업인 에코프로비엠에 제련된 리튬을 공급하며, 탄산리튬을 수산화리튬으로 전환하는 사업을 영위하여 연간 1.35만 톤의 수산화리튬을 생산

- (포스코) 호주 Pilbara와 포스코-필바라리튬솔루션(지분 포스코 82%, 필바라 18%)을 설립해 광양 내 공장에서 연간 4.3만 톤의 수산화리튬 생산 예정

현재 한국산 배터리는 미국이 요구하는 역내 의무 조달 충족이 불가한 상황

- 우리 배터리/소재 기업이 미국 내 보조금 적용에서 제외될 경우 미국 내 內 경쟁력 저하가 불가피

- 북미에서 배터리를 제조하더라도 원자재 요건 미충족 시 전체 보조금의 50%만 지원 가능

- 다만 중국 의존도가 높은 광물 및 배터리 소재 조달처는 해외 경쟁사도 유사해 보조금 지급 요건 변화가 국내 배터리 기업에 미치는 단기적 영향은 제한적일 수 있음

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한국은 미국과 FTA를 체결한 배터리 광물 국가로의 공급망 전환을 적극 고려할 필요

- (호주, 칠레, 캐나다) 호주와 칠레가 광물 생산 노하우와 인프라가 잘 갖추어져 있으며 캐나다는 과거 생산을 중단한 바 있으나 최근 다시 생산을 재개

- (멕시코, 페루) 탐사/개발 초기 단계로 리튬의 생산 및 유통망 구축까지 수년이 소요될 것으로 예상

- (미국) 리튬이 채굴되고 있으나 생산량이 적고 신규 프로젝트는 지역사회와 환경론자의 반대에 직면

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중국이 전체 제련 리튬 화합물 생산의 65%를 담당

- 세계 각국에서 채굴된 리튬은 중국으로 운반된 후 고순도 리튬 화합물로 제련

- 염호 및 경암에서 리튬을 추출하는 기술은 중국 기업이 보유하고 있으며 낮은 환경기준과 저렴한 생산비 덕택에 중국이 리튬 화합물 생산의 대부분을 차지

- 특히 수산화리튬은 중국이 확실한 기술적 우위와 생산 이점을 보유하고 있어 중국의 수산화리튬 제련 점유율은 75%에 달함

전기차 배터리에 사용되는 리튬은 고순도(99.5% 이상) 수산화리튬 (lithium hydroxide, LiOH)과 탄산리튬(lithium carbonate, Li2CO3)으로 구분

- 스마트폰등에 사용되는 소형 배터리에는 리튬이 30g 소요되며, 전기차용 중대형 배터리에는 리튬 30~60㎏ 소요

- 리튬은 양극재 핵심 원료로, 배합되는 양극재는 리튬 종류에 따라 삼원계와 LFP로 구분

- 삼원계 양극재는 일반적으로 NCM, NCA18 전구체가 수산화리튬과 배합되어 생산되고 LFP19 양극재는 인산·철 전구체가 탄산리튬과 배합돼 생산

1. 양극재의 주요원재료(황산)니켈은 Class1 고순도 니켈로 생산

2. 니켈은 황화광(러시아, 호주, 캐나다) vs 산화광(인도네시아, 필리핀)에서 조달가능 

양극재로 투입되는 Class1 고순도 니켈은 황화광의 건식제련을 통해 생산

1. 전기차용리튬은 경암형(Hard rock)과 염수형(Brine)  방식으로 대표적인채굴방법

  - 글로벌매장량의 60%가 염수형, 향후 리튬 투자 또한 염수형으로 집중

2. 삼원계 기반의 국내 배터리셀 기업들의 하이니켈 양극재 핵심원재료는 수산화리튬. 수산화리튬은 경암형 스포듀민공법으로 직접제련가능, 반면 염수형은 탄산리튬과 촉매작용으로 수산화리튬을 생산하는 공정

탄산리튬을 추가 가공하여 만들어지는 수산화리튬은 하이니켈 배터리에 더 적합한 소재로 사용되며, 따라서 그 형태로만 본다면 수산화리튬이 탄산리튬을 기술적으로 압도할 것으로 보여진다. 하지만 실제로는 탄산리튬과 수산화리튬의 장단점이 명확하다. 수산화리튬은 탄산리튬 대비 낮은 온도에서 분해되어 배터리 음극 생산과정을 더욱 안정화시키고, 최종 제품의 수명을 더 연장해주는 반면, 탄산리튬은 상대적으로 낮은 생산 비용 외에도 취급이 용이하고 보관 수명이 더 길다. 따라서 실제로 탄산리튬과 수산화리튬 중 어떤 제품이 시장을 장악할지는, 전기차 배터리 시장의 헤게모니를 하이니켈 배터리(수산화리튬 사용)와 LFP(Lithium iron Phosphate) 중 누가 가져갈 것인지에 따라 사뭇 다르다. 흔히 탄산리튬에서 수산화리튬으로 업그레이드하기 위한 가공 비용은 약 1,500-2,000달러/톤이 소요되는 것으로 알려져 있으며, 따라서 두 제품 간 가격 스프레드에 따라 당분간 각 제품의 대한 수요가 결정될 것이다.

1. 리튬의전방수요는배터리소재양극재와전해액(리튬염)에사용 

2. 미국지질조사국통계는확인된리튬매장량8,900만톤이상으로전방수요대비넉넉한편

3. 풍부한매장량과과거대비높아진판매가격으로관련E&P 기업들의사업경제성은확인

4. 그럼에도타이트한공급여건을전망하는점은배터리소재용리튬전환을위한‘제련설비’ 부족

다만 진짜 문제는 니켈

다만 양극재 생산에 많은량이 사용되는 니켈의 경우 리튬 대비 조달처 다변화에 어려움이 있을 것으로 예상한다. 미국과 FTA가 체결되어 있는 호주는 인도네시아 다음으로 높은 매장량을 보유하고 있지만, 실질적인 니켈 생산량은 미국과 FTA가 체결되어 있지 않은 인도네시아, 필리핀 그리고 러시아가 앞선 상황이다. 19년 실제 생산량 기준으로도 러시아와 중국에 위치한 광산이 높은 생산량을 기록했으며, 최근에는 인도네시아 니켈 광산에 대한 중국 업체의 투자가 적극적으로 이뤄지고 있다.

또한 니켈의 경우 탐사부터 실질적인 양산으로 이뤄지기까지 리튬 광산 보다 많은 시간이 투입되기 때문에 단기간에 생산량을 증가시키기에 어려움이 있을 것으로 예상한다. IEA에 따르면 리튬의 경우 탐사이후 양산까지 약 4~7년이 소요되는 반면, 배터리 원재료에 적합한 Class1 니켈(순도 99.8% 이상)이 주로 생산되는 황화광(Sulfide)이 약 13년이 소요된다. 물론 기초 탐사에서부터 최종 생산까지의 기간이기 때문에 매장량이 이미 확인된 지역에 증설이 이뤄질 경우 기간이 충분히 단축될 수는 있지만, 리튬 대비 생산 탄력성이 떨어질 수 밖에 없다. 또한 니켈의 경우 대부분의 한국 업체가 집중하고 있는 하이니켈 배터리의 사용된 전체 광물의 무게 기준으로 약 20%를 상회하는 핵심 원재료이기에 높은 조달 안정성이 필요한 상황이다.