특수전해질과 전해액 첨가제 

전해액은 리튬이온배터리의 4대 소재중 하나로 배터리의 성능에 직접적인 영향을 주는 소재다. 전해액의 구성요소는 전해질, 용매, 그리고 첨가제 3가지로 이뤄져 있으며 원가 비중은 각각 1/3 수준이다. 이중 가장 부가가치가 높은 것은 첨가제이며, 첨가제는 크게 리튬을 포함하고 있는 특수전해질과 리튬이 없는 전해액 첨가제로 분류된다. 전해액 첨가제는 전해액의 점도 개선, 고온/저온 특성 강화, SEI층 형성 정도, 그리고 수명 특성 등 적은 첨가량으로도 배터리의 성능을 전반적으로 향상 시켜줄 수 있다. 

FEC와 VC는 흑연계 음극재가 사용된 배터리에 1~2%의 적은량만 첨가되고 있지만, 실리콘 음극재의높은 팽창률로 인한 단점 보완과 안정적인 SEI형성을 위해 더 많은량을 사용할 수 있다. 이에 실리콘 음극재 시장 침투율이 높아질수록 FEC와 VC의 수요는 더욱 가파른 속도의 성장성을 보일것으로 전망한다. 

천보와 덕산테코피아는 공격적인 첨가제 증설을 진행하고 있다. 천보는 FEC와 VC의 대규모 증설을 발표하며 전해액 첨가제 분야를 넓혀가고 있다. 천보는 23년까지 FEC와 VC 각각 2,500톤, 1,500톤 규모의 생산능력을 갖출 예정이며 24년~26년 3년간 FEC와 VC의 추가 증설이 계획되어 있어 26년 FEC 6,000톤, VC 4,000톤의 생산능력을 확보할 계획이다. 덕산테코피아 또한 22.1월 FEC, VC 증설을 발표했으며, 각각 2,000톤 수준의 생산능력을 23년에 갖출 예정이다. FEC와 VC의 중국 spot 가격은 각각 $35.3/kg, $25.0/kg 수준으로 매년 100억원 수준에 불과했던 천보의 첨가제 매출액은 26년 약 3,000억원에 달할 것으로 기대된다. 덕산테코피아의 경우 23년 증설 이후 약 1,200억원, 추가증설마무리 후 약 2,000억원 수준의 매출액 창출 능력을 확보할 것으로 예상된다. 

배터리 양극재 전구체 원재료로 쓰이는 황산니켈은 Class1 고순도 니켈로만 생산할 수 있다. 니켈 광산의 종류는 러시아, 호주, 캐나다 같은 대륙에 분포한 황화광과 인도네시아, 필리핀 같은 해안지역에 분포한 산화광 두가지다. Class1 니켈은 일반적으로 황화광의 건식제련을 통해 생산된다. 기존에 산화광으로는 NPI(니켈선철)과 페로니켈 같은 저순도 제품의 생산만이 가능했다.

2021년 기준, 글로벌 니켈 생산량의 약 25%만이 황화광에서 이루어지고 있고, 이 마저도 고갈이 진행되며 품위가 지속적으로 떨어지고 있다. 또한 새로운 글로벌 니켈 프로젝트는 대부분 인도네시아 산화광 지역에 몰려있다. 이에 따라 배터리 향 수요가 빠르게 증가하는 Class1니켈을 산화광으로도 생산하기 위해 다양한 제련방법들이 등장하고 있다.

2025년까지, 경암형 시설이 빠른 시장 대응에 유리 

2022~2025년 수산화리튬의 수급부족 환경에서, 리튬 기업들에게 우선적으로 필요한 전략은 ‘빠른 시장대응’ 일 것이다. 수산화리튬의 생산방법 중 경암형 방식과 염수형 방식의 장단점은 명확하다. 경암형 방식은 초기 투자비가 낮고 빠른 생산이 가능해 시장대응에 유리한 반면, 선광 비용 등 생산원가가 높다. 염수형 방식은 초기 투자비가 높고 염수 증발, 변환 등의 과정이 오래 걸리지만, 규모의 경제효과로 생산원가가 낮다. 따라서 안정적으로 가동 중인 경암형 수산화리튬 플랜트를 갖춘 중국 기업들의 시장지배력이 앞으로 2~3년은 지속될 것으로 보인다.

그러나 2025년부터 신규 프로젝트들의 리튬 생산이 시작되면, 글로벌 리튬의 생산지도도 다시 그려지기 시작할 것이다.

먼저 탄산리튬의 경우, 표2를 보면 수산화리튬 변환용도를 제외하더라도 공급이 충분할 것으로 보인다.

반면, 표 3를 보면 수산화리튬의 공급 부족이 눈에 띈다. 2023~2024년까지 수산화리튬 공급망에서 중국 캐파가 압도적일 뿐만 아니라, ‘염수형 변환공정’의 낮은 회수율을 고려하면, 수산화리튬의 글로벌 캐파가 부족한 상황이다. 글로벌 신규 프로젝트들은 대부분 2025년부터 생산을 목표로 하고 있다. 일부 배터리 기업들이 신규 프로젝트를 추진 중인 기업들과 공급계약을 발표했지만, 실제 공급까지 타당성 평가/시험가동/램프업/품질검사 등 수많은 단계를 거쳐야 하기 때문에 불확실성이 크다.

글로벌 리튬 생산 방식은 경암형, 염수형 크게 두 가지가 있다. 경암형은 리튬 광산에서 채굴하여 가공하는 방법이고, 염수형은 염호에서 증발 과정을 거쳐 생산하는 방법이다.현재 생산 비중은 반반 정도로 비슷하지만, 실제 매장량은 염수형이 60% 이상이며 앞으로의 캐파 증설도 염수형에서 활발하게 이루어질 예정이다.

탄산리튬은 두 가지 방식 모두에서 제련 생산이 가능하다. 반면, 수산화리튬은 경암형 스포듀민 정광에서만 바로 제련이 가능하고, 염수형 방식에서는 염수에서 만든 탄산리튬을 변환시켜야 생산할 수 있다. 그런데 이 염수형 탄산리튬→수산화리튬 변환 공정이 까다롭다는 문제가 있다. Battery-grade 수산화리튬은 99%가 넘는 높은 순도여야 한다. 따라서, 변환의 feedstock으로 들어가는 물질도 주로 99%이상의 고순도 technical-grade 탄산리튬이어야 하고, 각 기업마다 feedstock으로 쓰는 염수 농축도에 따라 저마다의 설비와 공정 디테일을 운영하고 있다. 또한 변환촉매제로 쓰이는 수산화칼슘의 낮은 용해도 때문에 수율이 낮으며 리튬 손실도 많은 편이다.

즉, 염수형 방식으로 수산화리튬을 생산하는 기업은 ‘검증된’ 기술력이 중요하다. 이에많은 글로벌 기업들이 신규 프로젝트들이 진행 중이더라도, 결과적으로 나올 수율과 품질은 확신할 수 없는 것이다. 변환공정의 까다로움과 오랜 생산기간 때문에, 염수에서중간 물질을 ‘직접추출(DLE)’하는 방법도 국내 POSCO홀딩스를 포함한 여러 기업이 개발하는 중이다.

실제로, 높은 기술성숙도로 안정적 생산 중인 수산화리튬 시설은 대부분 생산하는 경암형 방식(Albemarle의 중국 플랜트, 강봉리튬, 천제리튬 등 약 18만톤)이다. 현재 운영이 확인되는 염수형 탄산리튬→수산화리튬 변환 시설은, ①Albemarle의 Kings Mountain 0.5만톤, ②SQM의 Salar de Carmen 1.35만톤, ③ Livent의 Bessemer City 2.5만톤뿐이다. ④Allkem의 Nahara 1만톤은 2022년 가동 시작 예정이다

전해액은 전고체 전지에서 액체에서 고체로 가장 큰 물성의 변화가 일어날것으로, 기존 전해액 밸류체인 업체들의 기술 개발을 통해 대응 할 것으로 가장 급격한 기술 발전의 가능성이 남아있다. 국내 전해액 밸류체인 기업들은 전고체전지 전해액 소재 개발 및 양산을 위한 면밀한 대응을 진행하고 있다.

2차전지 4대 소재중 가장 큰 변화가 일어나는 전해액은 ①고체전지의 계면 저항에 따른 낮은 이온전도를 높이기 위한 고체 전해질 배합 기술의 부가가치가 더욱 커질 것이다. ②높은 이온 전도도와 우수한 전기 화학적 안정성 및 기계적 강도를 갖춘 고분자 전해질의 개발은 중대형 2차전지의 개발 가속화 및 차세대 2차전지의 전해질의 중요한 역할을 담당하게 될 것으로 전망된다

‘전해액(Electrolyte)’은 2차전지의 원가구성의 14%를 차지하며 전해질염, 첨가제, 유기용매로 구성된다. 양극와 음극으로 전자가 이동하는 통로의 역할을 하며 에너지 밀도, 수명, 안전성에 영향을 미치며 전지의 성능을 좌우한다. 전해액은 순도가 떨어지거나 금속성 불순물, 극소량의 수분 등이 함유되면 전해액은 전지의 변형이나 화재 폭발 등을 일으키게 된다. 따라서 높은 이온 전도도, 전기화학적 안정성, 전극과의 상용성, 낮은 응고점, 적절한 리튬염의 농도의 기술력을 요구한다.

① 전해질 염(Lithium Salts): 전해질은 리튬염이라 불리우며 전해액 원가비중 40%를차지한다. 액상에서 이동통로의 역할을 하기 때문에 높은 이온전도도와 전기 화학적 안정성이 중요한 요소로 작용한다. 현재 리튬이온전지에 사용되는 주된 전해질은 육불화인산리튬(LiPF6)이 범용소재로 사용되고 있으나 최근 단점을 보완하는 리튬염의 생산이 확대되고 있다.

② 첨가제(Additives): 첨가제는 전해액 원가비중 30%를 차지하며 중대형 전기의 성능 및 원가에 영향을 미치며 전지의 수명, 안정성 등을 위해 소량 첨가되는 물질로 에너지 출력 밀도, 수명, 안정성 등 에너지 성능을 좌우한다. 양극/음극 소재뿐만 아니라 서로 격리되어 있는 두전극 소재들 사이에서 이온의 흐름을 담당하는 전해액의 기능적 역할도 그 중요성이 함께 강조되고 있다. 열화현상을 막기 위해 고온에 강한 전해액을 만들기 위한 첨가제, 화재에 강한 난연성 전해액 개발을 위한 첨가제, 안정적으로 고출력 및 고속충전을 가능하게 하는 첨가제적용이 확대되고 있다.

③ 유기용매(Solvent): 유기용매는 전해액 원가비중 30%를 차지하며 염을 용해시키기 위해 사용되는 유기액체로 염의 용해와 리튬이온의 이동을 위한 낮은 점도의 특성을 갖추어야 한다. 대체적으로 점도와 어는점이 낮고, 유전율과 끓는점이 높을수록 우수하나 용매마다 장단점이 있어 전지의 성능에 맞추어 혼합하여 사용된다

실리콘음극재 업체들 중에서는 옥사이드 기반으로 일본의 신예츠와 한국의 대주전자재료 등이 양산경험을 갖고 있다 . 22 년에는 실리콘 카본 나노 파우더 기반의 업체들이 양산 시도하는 움직임이 기대된다 . 실리콘 카본 나노 파우더 개념으로는 한솔케미칼과 동진세미켐이 각각 삼성 SDI 와 노스 볼트향으로 대응하고 있는 것으로 파악된다 . 한편 SK 머티리얼즈 (12 월 1 일 부로 SK 와 합병 는 나노사이즈의 실리콘 카본 복합체 기반의 SCC55TM 으로 알려진 실리콘 음극재의 제조사 Group14 의 3 대 주주로 참여하고 합작사 설립을 통해 22 년 실리콘 음극재 생산 공장을 완공하고 23 년부터 판매를 계획하고 있다.

또한 SKC 도 영국의 실리콘 음극재 제조사 넥시온에 투자하고 실리콘카본 복합체 음극재 기술 사업권을 확보해 시장 진입을 준비하는 것으로 알려졌다 .

- 현재 가장 폭넓게 사용하고 있는 분리막: 세라믹 코팅 분리막

- 고분자 분리막의 내열성 향상을 위해 등장한 분리막

- 보편적 구조: 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더 코팅한 제품

- 세라믹 코팅 공정 도입으로 두께 박막화에 유리한 습식분리막이 시장 선도하게 된 것

- LG화학: Dip 코팅 방식 세라믹 층 도입한 SRS(safety reinforced separator) 분리막 사용 (알루미나 사용)

- SKIET: LG화학과 마찬가지로 세라믹 코팅 분리막 사용 (CCS)

- 과거 단면 코팅이었으나 현재는 양면 코팅이 추세

- 단점: 추가 코팅 공정에 따른 단가 상승과 코팅으로 인한 기공 차단으로 통기성 저하

- 전고체 배터리 등장하면, 분리막 불필요

- 결국, 코팅에 기술 노하우가 있음. 기업마다 코팅은 차이가 있음. 보통 세라믹 코팅이라고 하는데 이는, 세라믹 성분인 알루미나, 보헤마이트에 바인더+첨가제 등을 넣어 슬러리로 만들어 코팅하는 것

- 가장 많이 쓰는 코팅 방식은 롤베이스로, 코팅액이 롤을 돌면서 분리막 표면에 붙는 기술. 코팅 기술에서 분리막에 요구하는 통기성, 적정 연신율 등이 결정됨