전기차 배터리 (2차전지) 동향

전고체 배터리 Key Point

- 배터리의 에너지 밀도 변화

- 리튬이온전지의 안전성 및 성장한계 상황

- 전고체 배터리의 전해질과 분리막 기능 변화

- 1회 충전 주행거리 증가 (자율주행차에 유리)

- 2025년 이후 전고체 배터리 본격 사용 전망

- 전고체 배터리 본격 상용화시 자율주행차 산업의 성장 전망

- 전고체 배터리와 자율주행차 산업을 동시에 검토 필요

- 삼성그룹은 자율주행차시대를 준비하는 것으로 보임

 

자동차 산업의 경계가 무한 확장되는 대변혁이 진행중

4차 산업혁명․환경규제 강화로 자동차산업의 혁신적 변화가 진행

ㅇ (친환경화) 내연기관 시장 부진 속에, 전기 수소차 시장 크게 확대

* 판매증가율(‘18.1~8월 → ’19.1~8월) : (전체車) △5.6%, (전기ㆍ수소차) 54.4%

ㅇ (지능화) IT기업 중심으로 자율차 개발 및 사업화 빠르게 추진

* (웨이모) 레벨3 개발→ 완전자율로 전환, 1,600만km 실증기반으로 로봇택시 시범운행(’18)

ㅇ (서비스화) 스마트폰․O2O 플랫폼 기반 공유이동수단 확산중

* 美우버 : 완성차기업 이상의 기업가치 보유, 中디디: 1일 3,100만회 승차서비스 제공

 

‘30년 미래차 시장은 친환경차, 자율주행차(스마트카), 서비스 산업이 견인

ㅇ (친환경차) 전기 수소차 확대(20~30%) 가운데 미래내연기관*도 상당 비중, 스마트카ㆍ자율주행 기능 고도화*도 자동차의 전동화 촉진

* (벤츠, 아우디) 하이브리드車 주력 전망, ’30년 이후에도 내연기관 수요 클 것

* 자율주행 기능은 전기‧수소차 기반이 유리 (조향․구동․제동 등 모터기반 정밀제어 가능)

ㅇ (자율주행차) 반도체(센서)․SW(인공지능) 등 전후방 산업 빅뱅 리드

* (SW 개발 비용) 자율주행 고도화 시 50% 수준으로 상승 가능 (美자동차공학회)

ㅇ (서비스) 커넥티드 서비스 등으로 생활․교통체계 혁명 기대

* ‘15~’30년간 연평균 시장성장률 : 서비스 29.8% vs 자동차 판매 2.4% (맥킨지)

(자료 : 산자부, 과기정통부)

 

전기차 배터리

배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등으로 구성

(자료 : 삼성SDI)

 

양극재는 전기차 배터리 성능과 원가에 큰 영향

- 양극재는 삼원계에서 니켈 함량이 매우 중요

. 삼원계 : 니켈,코발트,망간

. 니켈 함량 증가 : 에너지 밀도 증대하나 니켈은 화학적 활성도가 높아 안전성 감소

- 삼원계는 원가 비중이 가장 큰 코발트의 함량을 줄여 원가 절감 추진

 

 

전기차 배터리 양극활물질

양극활물질은 LCO, LFP, LMO, NCM, NCA 등으로 구분

- LCO에서 코발트 일부를 니켈, 망간 또는 알루미늄으로 대체한 것이 NCM과 NCA

. 양극활 물질 : LCO(리튬-코발트) -> NCM(리튬-니켈-코발트-망간), NCA(리튬-니켈-코발트-알루미늄)

. 활물질 : 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질 (리튬산화물)

 

NCM : 니켈 코발트 망간

- NCM523 : 니켈 비중 5, 코발트 비중 2, 망간 비중 3

- NCM622 : 니켈 비중 6, 코발트 비중 2, 망간 비중 2

- 니켈비중이 높을수록 에너지비중 증대로 원거리 주행 가능, 하지만 안전성이 감소

 

 

시장에서는 LFP 사용이 감소하고 NCM523 및 NCM622의 사용이 증가하고 있음

- 하이니켈 NCM은 니켈 비중이 높은 것을 의미

글로벌 소재별 주요 기업(2017년 기준)
- 양극활물질 : 1위 유니코어(벨기에), 2위 샨샨(중국), 3위 니치아(일본)
- 음극활물질 : 1위 BTR(중국), 2위 샨샨(중국), 3위 히타치(일본)

- 분리막 : 1위 아사히카세이(일본), 2위 도레이(일본), 3위 SK이노베이션(한국)
- 전해질 : 1위 미쓰비시화학(일본), 2위 틴쯔카이신(중국), 3위 캡켐(중국)

 

전기차용 리튬이온 배터리 시장 전망

리튬이온 배터리는 현재의 초과 공급 수준이 점차 감소하여 2023년 이후는 초과 수요 전망

- 포스코케미칼은 LG화학과 1조 8533억원 규모의 양극재 공급 계약 체결(2020년 1월 21일)

. 계약 기간 : 2020년부터 2022년까지 3년간

. 포스코케미칼은 LG화학에 하이니켈계 NCM 양극재를 공급

. 포스코케미칼은 광양 율촌산단 내에 연산 9만톤 규모 양극재 생산공장 건설 추진

* 포스코케미칼은 2022년까지 연산 7만6천톤 규모의 천연흑연계 음극재 생산체제 구축

 

 

- 에코프로비엠은 SK이노베이션과 약 2조7천억원 규모의 양극재 공급 계약 체결(2020. 2. 3)

. 계약기간 : 2020년 2월부터 2023년 12월31일까지

. 계약규모 : 총 2조7천406억원

. 계약내용 : SK이노베이션에 하이니켈계 NCM 양극재 중장기 공급

. 에코프로비엠은 1분기 중 포항에 SK이노베이션 전용 양극재 공장을 착공할 예정

. 양극재 공장은 3개 생산라인을 갖춰 연간 생산능력 2만6천t을 갖출 전망

 

리튬이온전지의 주요 문제점

- 안전성 : 리튬이온전지의 전해질은 열폭주에 의한 발화 위험성 내재
- 기술한계 : 리튬이온전지의 용량은 약 5년 이내 한계에 도달할 것으로 전망

 

고체 배터리 시장 전망

- 전고체 전지는 2023년부터 사용이 시작돼 2025년 이후 사용이 본격화 될 것으로 전망

- 2023년 부터 2030년까지 연평균성장률은 66%로 매우 가파른 성장세 예상

- 대형셀 시장의 경우 전고체 전지가 차지하는 비율은 2025년 1.2%, 2030년 3.8% 전망

(자료 : SNE리서치)

 

 

전고체 기술 변화시 밸류체인별 전망

- 전고체 배터리의 양산 및 상용화 시기에 대하여 다양한 의견이 있으나 중론은 2025년이 가장 빠른 시기일 것으로 파악되고 있음. 전고체 배터리는 현재 대중화된 리튬이온배터리의 주행거리 및 충방전 횟수를 약 2배로 개선시키며 배터리 전해질이 액체에서 고체로 변화하는 것 이 가장 큰 특징

- 양극재: 전고체 배터리를 목적으로 하는 신규 양극재 개발보다는 기술 변화의 특성에 맞도록 기존 양극재의 품질적 특성을 조절할 것으로 예상되어 이에 따른 R&D역량 필요할 것

- 음극재: 고체전지의 계면 저항에 따른 낮은 이온전도를 높이기 위해 리튬금속(Li-Metal)이 이론적으로 이상적이나 기존에 사용하고 있는 흑연계도 무방

- 동박: 전고체에 함유되는 황산화물로 인해 동박의 부식이 일어나는 것을 막기 위해 기존 동박에 니켈성분을 코팅하는 형태 혹은 니켈박으로 소재 변화를 예상

- 장비: 전고체에 분리막이 사용되지 않으므로 분리막 장비 제조사에는 부정적인 요인, 조립공정에서는 패키징 단계에서 전해액 주입단계가 사라지는 것이 특징

(자료 : 교보증권)

 

(자료 : 키움증권)

 

왜 전고체배터리일까?

 

① 전기차배터리 용량이 더 늘어야 하는 첫 번째 이유. 주행가능거리

그렇다면 원천적인 질문부터 던져보자. 현재까지 리튬이온 배터리는 발 빠른 기술 발전을 이뤄오면서 전기차의 발전 및 대중화에 혁혁한 공을 세워왔다. 그런데 굳이 이런 국면에서 새로운 배터리에 대한 필요성이 부각되는 이유는 무엇일까?

이유는 단 하나다. 리튬이온 배터리는 다가오는 자율주행 차량의 시대에서 살아남기에는 ‘기술적 발전’에서 한계에 봉착했기 때문이다.

② 전기차배터리 용량이 더 늘어야 하는 두 번째 이유. 자율주행

미래에도 지속적으로 배터리의 용량이 증대되어야 하는 이유는 앞서 언급한 바와 같이 내연기관차의 주행가능거리를 따라잡기 위한 이유도 있지만, 그보다 더 중요한 결정적 요인이 한 가지 더 있다. 바로 자동차의 디지털화, 쉽게 이야기해서 자율주행차량의 탄생이다.

 

③ 배터리의 미래는 늘 밀도(density)였다

결국 전기차의 현실화가 되었든, 자율주행차량의 완성이 되었든 어떤 명분이 제시되든 간에 앞으로 차량 내 탑재되는 배터리의 용량이 지속적으로 상승해야 하는 것만큼은 명백한 사실로 확인이 된다.

 그러나 문제가 하나 있다. ‘그럼 차량 안에 필요한 용량만큼 더 많은 개수의 배터리를 탑재하면 되는 거 아닌가?’라고 단순한 해답을 제시할 수도 있지만, 이럴 경우 그만큼 차량 내 배터리 비용이 상승하여 결국에는 차량 자체 가격이 상승한다는 문제가 발생한다. 차량 가격의 상승은 소비자의 외면을 받을 가능성이 높기 때문에, 현재 완성차업체들도 전기차 판매에서 극도로 조심스러워하는 부분이다.

 그렇다면 방법은 무엇이 있을까? 1 대의 자동차에 투입되는 배터리 비용을 늘리지 않는 가운데, 즉 차량 내 배터리의 개수를 유지시키는 가운데 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 방법은 무엇이 있을까? 그 해답이 바로 밀도(density)다.

 

④ 해답(解答), 전고체배터리

결론적으로 전고체배터리의 밀도는 현재 200~250Wh/kg 수준에 머물러 있는 리튬이온 방식 대비 500Wh/kg 를 훌쩍 뛰어넘는, 즉 2 배 이상 증대될 것으로 예상되고 있다.

 부피 단위의 밀도를 더 많이 사용하기 때문에 해당 기준으로 설명해보자면, 현재 리튬이온 방식이 300~400Wh/l(리터)인 것 대비 전고체배터리는 궁극적으로 800~1,000Wh/l 까지도 기대하고 있다.

(자료 : SK증권)

 

삼성전자 종합기술원 전고체 기술 개발

삼성전자 종합기술원이 차세대 배터리로 주목받고 있는 ‘전고체전지(All-Solid-State Battery)’의 수명과 안전성을 높이는 동시에 크기를 반으로 줄일 수 있는 원천기술을 세계적인 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재했다.

 삼성전자 종합기술원은 1회 충전에 800km 주행, 1,000회 이상 배터리 재충전이 가능한 전고체전지 연구결과를 공개했다. 삼성전자 일본연구소(Samsung R&D Institute Japan)와 공동으로 연구한 결과다.

 전고체전지는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체하는 것으로, 현재 사용중인 리튬-이온전지(Lithium-Ion Battery)와 비교해 대용량 배터리 구현이 가능하고, 안전성을 높인 것이 특징이다.

일반적으로 전고체전지에는 배터리 음극 소재로 ‘리튬금속(Li-metal)’이 사용되고 있다. 하지만, 리튬금속은 전고체전지의 수명과 안전성을 낮추는 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 문제를 해결해야 하는 기술적 난제가 있다

※ 덴드라이트: 배터리를 충전할 때 양극에서 음극으로 이동하는 리튬이 음극 표면에 적체되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체. 이 결정체가 배터리의 분리막을 훼손해 수명과 안전성이 낮아짐

 삼성전자는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층(Ag-C nanocomposite layer)을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 적용했다.

이 기술은 전고체전지의 안전성과 수명을 증가시키는 것은 물론 기존보다 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 에너지밀도를 높일 수 있기 때문에 리튬-이온전지 대비 크기를 절반 수준으로 줄일 수 있다는 특징이 있다. 

삼성전자 종합기술원 임동민 마스터는 “이번 연구는 전기자동차의 주행거리를 혁신적으로 늘리는 핵심 원천기술이다”며, “전고체전지 소재와 양산 기술 연구를 통해 차세대 배터리 한계를 극복해 나가겠다”고 말했다.

(자료 : 삼성전자 종합기술원)

 

전고체 배터리 개발동향

- 국내 업계는 전고체전지 관련 연구경험 축적이 다소 부족하고 원재료 자급률도 낮은 상황이나 조기 상용화를 목표로 기술 추격에 집중

- 일본이 보유한 전고체전지 관련 해외 특허는 2020년 3월 19일 기준 2231개로 한국 내 특허 및 실용실안(956개) 대비 2배 이상이며, 한국 내 특허 상당수를 도요타지도샤(주)가 보유하고 있음을 고려할 때 국내 기술개발 속도는 일본에 뒤쳐져 있는 것으로 평가

- LG화학 및 삼성SDI는 2025~2026년 상용화를 목표로 전고체전지를 개발 중이며, 현대자동차 그룹은 2025년에 전고체전지 탑재 전기차를 양산할 계획으로 미국 전고체전지 스타트업 Ionic Materials에 5백만 달러를 투자

- 일본 NEDO는 2018년 전지업계 5개社, 소재업계 14개社, 대학 및 연구소 15개가 광범위하게 참여하는 전고체전지 양산 4년 프로젝트를 발표

. 2022년까지 핵심 기술을 개발하고, 양산을 목표로 리튬이온전지 대비 에너지밀도 3배, 원가와
충전 시간을 1/3로 줄이겠다는 계획을 수립

(자료 : 한국과학기술기획평가원)

 

자율주행차 동향

< SAE 자율주행 레벨 구분 >

레벨 구분	Level 0	Level 1	Level 2	Level 3	Level 4	Level 5
명칭	無 자율주행 (No Automation)	운전자 지원 (Driver Assistance)	부분 자율주행 (Partial Automation)	조건부 자율주행 (Conditional Automation)	고도 자율주행 (High Automation)	완전 자율주행 (Full Automation)
자동화 항목	없음(경고 등)	조향 or 속도	조향 & 속도	조향 & 속도	조향 & 속도	조향 & 속도
운전주시	항시 필수	항시 필수	항시 필수	시스템 요청시	작동구간 내 불필요	전 구간 불필요
자동화 구간	-	특정구간	특정구간	특정구간	특정구간	전 구간

 

자율주행 기술개발 프로젝트 본격 착수

미래차 1등 국가로 도약하기 위해 ‘19.10월 수립한 “미래자동차 발전 전략”을 이행하기 위하여 산업부 주도로 4개 부처가 공동 추진한 사업으로, ’21년부터 ‘27년까지 7년간 총 1조 974억원을 투입하여 추진한다.

* 2027년 융합형 레벨 4 자율주행차 상용화 기반 완성

 

자율주행차 핵심 기술

자율주행차의 기본 프로세스는 인지(Sense)-판단(Plan)-제어(Act)의 3 단계

 

(자료 : 과기정통부)

 

현대차 2020년 투자계획

주력 투자 부문 : 전동화, 자율주행, 모빌리티 서비스 등 미래차 부문

- 그룹 전체 연간 투자 금액을 20조원 규모로 확대 방침 (5년 동안 예정 투자금 100조원 이상)

자율주행 분야 : 운전자 개입 없는 레벨 4, 5 수준의 자율주행차 조기 출시

- 2022년 자율주행 플랫폼 개발

- 2023년 일부 지역 운행 실시

- 2024년 하반기에 본격 양산 추진

 

전기차 2차전지 관련주

- 배터리 셀 : 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션

- 양극재 : 에코프로비엠, 포스코케미칼, 코스모신소재, 엘앤에프

- 음극재 : 포스코케미칼, 대주전자재료(SiOx)

- 동박(음극재에 소요) : 두산솔루스, 일진머티리얼즈, SKC(KCFT 인수)

- 분리막 : SK이노베이션

- 전해질 : 솔브레인, 후성

- 첨가제 : 나노신소재, 대주전자재료

- 부품 : 신흥에스이씨(CID/Cap Assembly), 상신이디피(Can), 상아프론테크(Seal
Gasket/Insulator)

- 장비 : 대보마그네틱, 이노메트리, 피엔티, 엔에스, 씨아이에스, 디에이테크놀로지, 아바코(전고체 박막 이차전지 장비) 등

- 2차전지 ETF : TIGER2차전지, KODEX2차전지

 

 

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