음극재의 성능을 높이기 위해 구조적으로 안정성을 갖추고 화학 반응성이 낮은 흑연을 사용하는데, 흑연은 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉜다. 천연흑연 채용시 초기용량은 우수하지만 충전과 방전이 반복될수록 용량이 급감하는 단점이 있다. 반면, 2,500도 이상 고온의 열처리를 통해 만든 인조흑연은 수명이 우수하고 고출력 구현이 가능하지만 가격이 2배 정도로 비싸다.

두 제품군 모두 일장일단이 있어 혼용해서 사용하고 있지만, EV 중심 2차전지 수요가 증가하며 고성능의 인조흑연 채용이 보다 확대되고 있다. 인조흑연은 전체 음극재 시장 내 비중이 21년 63%에서 25년 70%, 30년 75%로 확대되고, 천연흑연은 21년 34%에서 25년 24%, 30년 16%로 축소될 것으로 전망한다.

한편 실리콘을 첨가한 실리콘 음극재는 차세대 제품으로 논의되고 있다. 실리콘은 이론적으로 흑연보다 10배 이상 리튬 이온을 저장할 수 있어 주행거리를 대폭 증가시킬 수 있다. 하지만 실리콘 음극재는 인조흑연보다도 가격이 2배 이상 비싸다. 아직까지는 상용화에 무리가 있으나 시장 수요 확대로 23년 1% 비중에서 25년 4%, 30년 7%수준으로 확대될 것으로 전망한다

음극재 시장의 주요 특징으로는 중국기업들의 점유율이 높다는 점이다. 20년 기준 점유율 상위권 BTR(17%), Zichen(12%), Shanshan(12%), Kaijin(10%) 등 중국기업들이 포진해있고 음극재 전체 시장에서 중국 기업들이 72%를 차지한다. 그 다음은 일본 20%, 한국 8%순이다.

중국기업들의 높은 시장점유율은 거대한 내수시장 탓도 있지만 음극재의 핵심 원재료인 흑연 공급망에 기인한다. 현재 전세계 흑연의 77%(5,500만톤)가 중국에 매장되어 있고 생산량도 이와 비슷한 수준이다. 중국기업들은 역내에서 흑연 공급망을 확보하며, 핵심 원재료 공급 안정성과 음극재 가공원가 절감을 통해 높은 수익성을 유지하고 있다. BTR, Shanshan, Kaijin 등은 음극재 생산캐파 확보와 함께 흑연화 공장을 함께 건설하며 원재료부터 음극재 생산까지의 밸류체인을 구축했다.

첫 번째는 양극재 수급 상 전구체는 중요한 원료라는 측면이 있다. 일단 높은 원가 비중을 자랑한다. 원가 비중은 배터리 기준으로는 전구체가 약 30%가 예상된다. 2 차전지 내에서 양극재의 비중은 40%로 파악되는데, 양극재 내에서 전구체의 비중이 약 70% 내외로 확인된다. 결과적으로 전체 2 차전지 내 비중은 약 24%~32%(=40% x60~80%)로 추정된다. 전구체의 안정적인 원료 조달이 필요한 이유 중 하나이다.

또한, 양극재 자체가 2 차전지 소재 내에서 원가 비중이 높을 뿐만 아니라 연간 +33%에 가까운 성장을 보여줄 것으로 전망되고 있기에 양극재 1 단위당 0.95~0.9x 단위가 들어가는 전구체의 수요도 그만큼 빠르게 증가하고 있다.

추가적으로 조달 국가(지역) 측면의 특징에서 양극재 기업들은 내재화에 관심을 기울이고 있다. 현재 양극재 전구체는 앞서 이야기를 하였듯이 중국에서 대부분의 점유율을 확보하고 있는 상황이다. 그런데 미국과 중국간의 갈등 및 지나치게 한 곳에 치중되어 있는 원료 조달처는 리스크로 작용할 수 밖에 없다.

따라서 다수의 양극재 기업들은 JV 및 자회사 설립 등을 통해서 전구체의 안정적 조달을 병행할 수 밖에 없는 상황이다. 광산을 보유하고 있는 중국 기업들에 비해 전구체본연의 원가 경쟁력을 확보하기는 어려운 측면도 있으나 수급 상의 헷지 및 뒤에서 이야기할 기술 측면에서 투자는 지속되리라 판단한다. 그리고 이를 내재화한 기업은 양극재에서 전구체로 전가 가능한 타이트한 수급환경에서 상대적 우위를 차지할 확률이 높다.

두 번째는 양극재 성능 향상을 위한 기술 방향성이다. 전구체가 양극재의 성능향상에서 중요한 이유는 크게 두가지로 정리된다. 1) Li 함유량 증가를 통한 용량 확대, 2) High-Nickel 양극재 및 전고체 배터리를 위한 단결정 구조이다. 이 두가지 방향성 모두 궁극적으로 양극재 혹은 배터리 전체의 밀도를 향상시키는 방향성이다. 

양극재 전구체는 일반적으로 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트)을 포함한 산을 용매에 넣고 여러 적절한 컨디션에서 섞어 공침(Co-Precipitation)을 거치며 된다. 공침 반응이란 액체 속에 쌓이는 공동침전(공침)하는 과정을 말하며 침전물에 흡착력이 작용해 불순물이 달라 붙어 하나의 결정을 이루는 과정이라 생각하면 된다. 그리고 여기서 발생하는 조성이 양극재의 특성을 나타낸다.

생산과정을 조금 더 디테일하게 풀어 보자면 1)주요 핵심 메탈을 배합한 다음 2) 산성 및 온도를 Controller를 통해서 조절하고 용매 안에서 공침과정을 거쳐 습식 침전물을 만든다. 3) 마지막으로 잔여물을 거르는 필터링 및 세척+건조 형태를 거치면 파우더(분말) 형태의 양극재 전구체(P-CAM)가 완성된다.

전구체가 중요한 이유는 무엇일까? 크게 두가지로 확인된다. 첫 번째로 전구체는 양극재 내에서 원가 비중이 매우 높아 안정적인 수급이 필요하다. 양극재의 성장에 발 맞춰 전구체 수요도 빠르게 늘어나고 있다. 두 번째가 기술 방향성이다. 언론을 통해 전구체의 국산화가 많이 강조되었지만 실상 양극재 본연의 기술 향상을 위해서 전구체의 기술 향상도 필요하다. 전구체의 구성이 곧 양극재의 특성을 결정한다고 할 수 있다. High-Nickel 로 나아가는 양극재 방향성에 있어서 리튬믹싱, 코팅 등 양극재 공정과 별도로 전구체 단의 연구개발이 필요한 시점이다.

먼저 전구체가 무엇인지에 대해 더욱 자세히 설명해보고자 한다. 전구체라는 개념은 사실 양극재에만 쓰이는 것은 아니다. 어떤 물질의 선행하는 물질을 의미 하고 있기 때문에 다양한 산업에서 활용되는 단어이다. 그 예시가 반도체, 바이오 산업 등이며 단백질의 전구체는 아미노산이라고 표현할 수도 있다.

2 차전지 양극재의 전구체는 양극제를 제조하기 이전의 Metal 을 기반으로 한 물질을 이야기하고 있으며 NCM(니켈, 코발트, 망산)+x(Al 등) 물질로 이루어져 있다

현재 많이 쓰이고 있는 양극재는 NCM(`19 년 기준 57%)이고, 그 중에서 NCM622(23%)가 가장 많이 활용되고 있다. LFP 양극재는 중국을 중심으로 다수 사용되고 있으나 점차 NCM의 비중이 높아질 것으로 기대되고 있다. NCM은 안정성/비용/수명/밀도 면에서 고른 특성을 갖고 있어 이를 개선 시키는 방향으로 현재 기술 개발이 진행 중이다.

현재 양극재의 방향성은 1) 밀도향상을 위한 High-Nickel 과 단결정 2) 비용 측면의안정성 확보로 확인된다.

따라서 이를 위해 Cobalt(코발트) 비중을 축소하고 Ni(니켈)의 비중을 확대하는 방향으로 나아가고 있다. Li(리튬)이 전자의 이동을 가능케하는 역할을 한다면, 다른 NCM물질은 FRAME(구조체)의 기능을 한다고 볼 수 있다. 그리고 FRAME 을 구성하는 메탈들도 각각의 역할을 보유하고 있다.

Ni(니켈)은 전지의 용량을 확대하는 역할을 보유하고 있다. 다만, 니켈의 비중만 높아지면 상대적으로 FRAME 본연의 안정성이 떨어진다. 반면에 코발트는 이를 보완할 수있는 메탈로 안정성을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 코발트 자체의 단가가 높고 변동성이 크다는 치명적 단점을 보유하고 있다. 마지막으로 망간은 상대적으로 가격은 낮으면서 안정성을 높일 수 있다는 장점을 보유하고 있다. 하지만, 망간의 비중이지나치게 높아지면 양이온과의 혼합 현상이 발생하면서 용량이 줄어드는 문제가 발생한다. 따라서, 이들간의 적절한 비중을 조절하는 것이 핵심인데 현재의 트렌드는 니켈의 함량을 높이고 코발트의 비중을 줄이는 것이다. 다시 표현해 용량을 높이면서 비용은 낮추고자 한다.

양극재의 생산과정은 아래와 같이 앞 단에서 주요 메탈을 섞고 배합해 전구체를 합성시킨다. 그 다음 전구체에 리튬(Li)과 접착제 등을 섞고 이를 고온에서 합치는 열처리공정을 거치게 된다. 마지막으로 제품을 세척하고, 여타 불필요한 화학 반응을 억제하는 코팅 과정을 거쳐 양극재가 생성된다.

전구체(Precursor-CAM, 이하 P-CAM)와 양극재 간의 가장 큰 차이는 리튬이 들어가기 전인가 혹은 후인가에서 발생한다.

※ 니켈

+ 니켈 생산량은 2020년 연간 250만톤, 이 중 미국업체의 생산량은 1.6만톤

+ 니켈의 최대 수요처는 스테인레스이며 2040년까지는 이러한 흐름이 유지될 것으로 전망

+ 배터리에 주로 사용되는 황산니켈 수요는 2020년 20만톤에서 2040년 300만톤으로 증가할 전망

+ 2040년에는 폐배터리를 통한 니켈 추출이 글로벌 황산 니켈 비축량의 절반 이상을 차지할 것으로 전망

+ 미국은 전체 니켈 수용의 68%를 우방국인 캐나다, 노르웨이, 호주, 핀란드로부터 수입. 다만 배터리에 필요한 고순도 니켈의 경우 우방국 수입 비중이 현저히 낮은것으로 추정되며 향후 3~7년간 심각한 공급 부족 현상이 나타날 수 있음.

(미국은 니켈 관련 투자가 없고 중국은 인도네시아에 투자 중)

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