2차전지 한중일(한국, 중국, 일본) 삼국지와 트렌드(#3. 2차전지)

순서
0. Intro.
1. 한국의 삼원계와 사원계
  1) NCM
  2) NCA
  3) NCMA
2. 중국의 LFP와 M3P
  1) LFP
  2) M3P
3. 일본의 전고체

 

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참고 1편. 시장성과 기업리스트
https://fast-turtle26.tistory.com/41

2차전지 배터리 셀, 4대 소재 시장규모와 기업리스트(#1. 2차전지)

참고 2편. 기본구조와 소재역할과 특성
https://fast-turtle26.tistory.com/43

2차전지 배터리 기본구조와 4대 소재역할과 특성(#2. 2차전지)

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Intro.
현재 2차 전지 생산에서 가장 큰 경쟁구도를 갖고 있는 나라를 꼽으라면 한국, 중국, 일본 일 것입니다.
 
뒤늦게 미국이나 다른 나라들도 뛰어들고는 있지만, 2023년까지의 상황은 한국은 리튬이온 2차 전지 기술력에서 강점을, 중국은 4대 핵심소재 생산과 LFP배터리 대량생산과 개량에서, 일본은 전고체 배터리에서 각각 앞서 있습니다.
 
앞서 1편과 2편에서는 2차 전지의 시장성은 어떻게 되며 배터리의 기본구조와 원리에 초점을 맞췄습니다.
 
이번 3편 한국이 주도하고 있는 NCA, NCM, NCMA 배터리들을 정리하고, 중국은 LFP, M3P를 정리하고 일본은 전고체배터리에 관해서 정리하면 시장이 어떻게 흘러가고 어느 정도 와있는지를 살펴보고자 합니다.
 
 

• NCM, NCA, NCMA 기본은 같아 대표이미지로 NCMA 하나만 첨부

NCMA양극재 이미지(출처 : 배터리인사이드)

 

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1. 한국의 삼원계와 사원계
1) NCM
 
NCM은 양극재에 주요 원소로, 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)에 리튬코발트산화물(LCO, 리튬+코발트+산소)을 넣어 만든 리튬이온 2차 배터리입니다. 기본적으로는 니켈, 코발트, 망가니즈를 1:1:1로 구성합니다.
 
앞 2편에서 다루었지만, 코발트가 배터리에 들어가는 금속원소 중 가장 비싼 원소입니다.
 
또한, 배터리의 핵심용량을 늘리는 것에 있어서는 니켈의 함유량을 최대한 늘리는 것입니다. 그럼 배터리가 불안정해지는 속성이 있어 이를 기술로 제어하는 것이 핵심 기술이라 할 수 있습니다.
 
2019년 SK온이 니켈 함유량을 90%까지 끌어올린 양극재를 개발완료했습니다. 이를 현재 주력으로 하고 있으며, 니켈의 함유량을 95%까지 끌어올린 제품을 개발 중에 있습니다.
 
 
2) NCA
NCA는 양극재 주요 원소로, 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(AI)에 리튬코발트산화물(LCO, 리튬+코발트+산소)을 넣어 만듭니다. 기본비율은 8:1:1이 되고, 이를 NCA811이라고 부릅니다.
 
NCM의 망가니즈 대신 알루미늄을 넣어 에너지출력이 더 높아지지만, 그만큼 위험성도 증가합니다. 따라서, 대형화가 어려운 단점이 있어 대개 원통형 배터리로 제작됩니다. NCM에 비해 기술적으로 좀 더 어렵다고 알려져 있습니다.
 
또한, NCM은 1000회 충전과 방전 이후 열화현상이 일어나기 시작한다고 알려져 있지만, NCA는 7500회 충전과 방전에도 문제없는 것으로 알려져 있습니다.
 
NCA는 삼성 SDI와 일본의  파나소닉이 주력으로 하고 있습니다. 한국의 에포프로비엠이 양극재를 생산 공급합니다.
 
삼성 SDI는 2020년에 니켈함량이 88%인 배터리를 개발 완료하고, 현재는 91~2%를 2024년 에코프로비엠과 양산을 예상하고 있는 상태입니다. 
 

 

 

 
3) NCMA
NCMA는 NCM방식에 알루미늄(Al)이 추가되어 4개의 원소가 양극재 핵심원소를 구성하는 방식입니다.
 
가장 비싼 코발트의 비중을 낮추어 배터리의 원가를 낮출 수 있습니다. 최대 0.1~0.2% 수준까지 낮출 수 있습니다. 따라서, 상대적으로 배터리가격에 국내 3사 중에선 가장 우위에 있다고 보입니다.
 
NCMA는 NCA에 비해 더 안정화가 가능해 소형, 중형, 대형 배터리 모두에 적용이 가능합니다.
 
NCMA주력회사는 엘앤에프입니다. 이를 배터리셀로 제작하는 회사는 LG에너지 솔루션입니다.
 
최근 LG화학에서 니켈 95%의 NCMA를 개발을 검토하고 있다고 밝혔습니다. 엘앤에프는 최대 97%까지 목표로 하고 있습니다.
 
후발주자인 포스코퓨처엠이 니켈 60%가 주력생산 중이고 80%는 2023년 중으로, 그 이상의 울트라하이니켈 개발도 추진 중이라고 알려져 있습니다.
 

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2. 중국의 LFP와 M3P
1) LFP
한국의 니켈 코발트를 기반으로 하는 한국 배터리 3사와는 달리 철(Fe)과 인산(P)을 메인으로 하고, 리튬은 똑 같이 사용합니다.
 
상대적으로 한국 배터리 기업들에 비해 기술누적이 부족했던 중국의 CATL과 BYD가 특허 만료 된 LFP배터리에 집중연구와 투자를 집행하며 주도하게 되었습니다.

그 결과 2022년 중국 전기차의 60%가 LFP를 탑재하고 있고, 중국 전기차는 전 세계 전기차의 60%를 차지할 정도로 굉장히 큰 시장입니다.
 
한국의 배터리 3사들은 상대적으로 무겁고, 에너지밀도가 낮아 경시하다가 최근 LFP배터리를 사용하는 제조사가 중국 기업뿐 아니라 테슬라, 벤츠, 폭스바겐까지 확대되고 미국도 포드와 합작회사를 통해 LFP를 탑재하겠다고 선언한 상태입니다. 또한, 한국의 현대, 기아자동차도 LFP탑재를 했고 확대를 검토하고 있습니다.
 
이에 뒤늦게 한국 배터리 3사 중 LG엔솔은 중국 난징공장 생산 라인 일부를 LFP로 전환할 방침으로 알려졌고, SK온도 LFP시제품을 곧 공개할 예정입니다. 
 

• LFP배터리 장점
  • 값이 싸다. 한국의 NCM대비 30% 이상 저렴합니다.
  • 안정성이 뛰어납니다. 열화현상이 상대적으로 낮습니다.
  • 긴 수명을 가집니다. NCM계열에 비해 긴 것으로 알려져 있습니다.
• LFP배터리 단점
  • 무겁습니다. 같은 차체에 LFP와 NCA를 탑재한 차량무게는 125kg가 차이 납니다. 테슬라 모델 3 기준
  • 에너지밀도가 낮습니다. 30~40% 이상 낮은은 것으로 알려져 있습니다.
    • 지속적인 기술개발을 통해 2023년에는 NCM대비 10~15% 낮은 정도까지 따라잡는다고 공언하고 있는 상태입니다.
  • 충전시간이 조금 더 길다. 하지만, 정확히는 각 제조사가 밝히지는 않아 보통의 인식이 그렇습니다.

2) M3P
LFP배터리의 최대 단점 중 하나는 에너지밀도가 상대적으로 낮다는 점입니다. 이 부분을 최대한 극복하기 위해서 중국 기업 CATL은 M3P기술을 2022년 8월에 처음 발표했습니다. 이는 철대신 마그네슘, 아연, 알루미늄 등의 원소들을 배합해 만들어내는 기술입니다.
 
그런데 2023년 3월에 이를 대량생산 하겠다고 발표했습니다. 개발을 완료 후 발표하고 약 8개월 만에 대량생산을 발표하는 굉장한 속도를 보여주고 있습니다.
 
M3P는 에너지 밀도를 LFP대비 15% 이상 향상하고 가격은 더 낮출 수 있어 한국 배터리 3사는 굉장한 위협을 받을 것으로 예상이 됩니다.
 

이러한 기술에 발맞추어 한국 3사는 코발트 양을 최대한 줄이면서 안정성은 확보하고, 코발트양이 많이 줄어 배터리 가격경쟁력은 높이려고 하고 있습니다.

니켈 함유량을 최소 90% 이상, 최대 97%까지 높여 같은 용량의 배터리에서 뽑아낼 수 있는 최대 에너지밀도를 보이는 방향으로 대응하고 있습니다.

또한, 양극재뿐 아니라 음극재도 실리콘 비중을 높이고 실리콘의 약점인 부풀어 오르는 현상을 잡기 위해 CNT도전재의 사용도 같이 증가하는 추세입니다.

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3. 일본의 전고체 배터리
기존 전통 배터리 업체 중 하나인 일본의 파나소닉과 완성차 업체인 도요타자동차 등이 현재의 2차 전지열세를 뒤집기 위해 전고체배터리 양산에 열을 내고 있습니다.
 
전 세계 전고체 배터리관련된 특허 수에서도 상위 5개 기업 중 4개 기업이 일본 기업들로 알려져 있습니다.

2021년 도쿄올림픽에서 일본의 도요타자동차가 전고체배터리와 자율주행차를 시연을 보이며 관심을 받았습니다. 단지, 완성도가 높지 않았고 처음에는 제대로 작동하지 않는 수모를 겪기는 했었습니다.
 
전고체 배터리 개발에 가장 먼저 뛰어들었고 누적된 특허 수도 도요타 자동차가 가장 많아, 대체적으로는 일본이 앞서있다는 평이 중론입니다.
 
얼마 전 2023년 3월에 일본의 배터리 기업 중 하나인막셀에서 전고체 배터리를 전 세계 최초로 상용화한다고 발표했습니다.

본격 양산은 4월부터라고 밝혔으니 지금 쯤이면 시장에 공급될 것으로 봅니다. 생산공장은 한국 원화기준 약 200억 원 정도이며 2030년까지 약 3,000억 원 정도의 매출을 목표로 한다고 합니다.
 
막 전고체배터리의 양산이 시작되었지만, 기술적으로 넘어야 할 산들이 있고, 생산단가도 너무 높아 큰 시장은 아닙니다.
 
한국의 삼성 SDI는 2026~27년에 양산을 목표로 한다고 밝혔고, LG엔솔은 2029~2030년 이야기하다가 최근 2025~26년 정도로 이야기할 정도로 성큼 다가섰다고 보입니다.

그럼에도, 많은 전문가들은 기업들의 목표인 것이지 실제 양산은 쉽지 않을 것으로 예측하고 있습니다.
 

현재 주류인 리튬이온 배터리들은 그 기반이 니켈, 코발트 등이든 철, 인산 등이든지 간에 전해질은 액체입니다. 그래서 전해액이라고도 불립니다.

그런데, 전고체는 말 그대로 전체가 고체이다라고 보면 됩니다.

전해질을 고체로 해 안정성을 대폭 높였고, 이론상 에너지밀도는 전해액에 대비 3배 이상도 가능하다고 합니다.

현재의 문제는 생산단가가 기존배터리 대비 4배가 높아 소형에만 제한적으로 사용된다고 합니다.

 

 

• 전고체배터리 장점
  • 에너지밀도가 높음
    
    • 현재 CATL주력인 LFP는 150 Wh/ kg, 개선된 LFP는 200Wh/kg 이상으로 예상, 최대 230Wh/kg
    • 한국 3사 삼원계 250Wh/kg, 4680 원통형 적용 기준 296Wh/kg
    • 전고체 배터리는 이론상 500Wh/kg
  • 충전속도가 높음
    • 10분이면 90% 이상 충전
  • 열화현상 등이 거의 없는 안정성
• 전고체배터리 단점
  • 제작의 기술적 난도가 높음
  • 제작단가가 높음
  • 상용화 대량생산까지 장담을 못함

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중국이 가장 무섭네요. 한국의 많은 기술진들을 빼돌린 것도 무섭지만, 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있음에도 무섭게 시행착오를 겪으며 발전하고 있습니다.
 
삼성의 반도체 기술과 같은 초고도의 기술들을 따라잡는 데에는 장비 등과 같은 많은 요소가 같이 발전해야만 해 어려울 수 있었지만, 조선, 디스플레이, 배터리 등에서는 세계를 장악해 나가고 있네요.
 
여기에 중국정부의 지원까지. 진짜 불공정한 경쟁이긴 합니다.
 
다음에는
좀 더 전고체배터리와 반고체배터리, 그리고 수소연료전지와 같은 결국 세계가 걸어가게 될 배터리 등을 정리해 봐야겠습니다.