Q1) 전기차 수요 얼마나 늘어날까?
수요=F(규제, 보조금, 유가, 기술진보, TCO)
순수 전기차 판매대수는 18년 134만대, 20년 219만대, 25년 1,053만대로 증가할 전망이다.
전기차 수요는 1) 규제, 2) 보조금, 3) 유가, 4) 기술진보(주행거리, 충전문제), 5) TCO(Total Cost of Ownership)의 함수다.
보조금을 제외한 나머지 4가지 요소는 모두 전기차 수요 증가에 긍정적으로 작용할 전망이다.
전세계에서 가장 적극적인 규제를 가하고 있는 국가는 중국이다.
중국은 ZEV(Zero Emission Vehicle) 규제를 도입하고 있다.
중국 내 연간 승용차 판매대수가 3만대 이상인 업체는 19년 연간 생산량에 10%에 해당하는 크레딧을 충족시켜야 한다.
크레딧은 [(0.012x주행거리)+0.8]x가산점으로 정해지고 최대 크레딧은 6점이다.
18년 유예기간을 두고 19년부터 의무시행이 된다는 점을 감안할때 전기차 수요에 긍정적인 영향이 예상된다.
각국 정부는 전기차 수요를 진작시키기 위해 보조금을 지급하고 있는데 이 규모는 점차 감소하고 있다.
보조금이 줄어드는 점은 분명 전기차 수요에 부정적이다.
다만, 중국 정부의 경기방어 정책으로 자동차 취득세 인하 카드가 나올 경우 보조금 감소 부담은 완화될 수 있다.
19년 유가는 상승 압력을 받을 가능성이 높다.
1) 사우디, 러시아 등 주요 산유국들의 잉여생산여력 최저 수준으로 하락, 2) 이란, 베네수엘라 등 지정학적 위기에 따른 공급차질 이슈로 원유 공급 타이트가 불가피하기 때문이다.
WTI기준 80달러/배럴까지 상승을 전망한다. 유가가 오르면 전기차 수요에 긍정적이다.
완성차 업체와 배터리 업체들은 배터리 소재의 성능향상을 통해 내연기관차량 대비 열위에 있는 주행거리와 충전문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.
배터리 에너지 밀도를 높임으로서 1회 충전 시 평균 주행거리는 18년 288km에서 19년 312km, 20년 366km로 늘어날 전망이다.
충전속도 또한 50kw의 급속충전 표준이 100kw, 200kw, 400kw까지 늘어나며 배터리 충전속도는 60kwh 배터리 기준 58분에서 7분까지 단축되며 전기차 수요에 긍정적으로 작용할 전망이다.
매년 주행거리가 1만km이면서 전기차 보조금이 없다고 가정하고 18년 구매한 전기차를 8년 타면 내연기관차보다 TCO가 낮아진다.
20년에 구매한 전기차는 5년, 22년에 구매한 전기차는 3년, 25년에 구매한 전기차는 1년만 타도 TCO가 내연기관 차량대비 낮아진다.
전기차 원가의 40%를 차지하는 배터리 가격의 하락과 낮은 연료비용 덕분이다.
3세대 전기차의 등장과 더불어 TCO 관점에서 전기차 구매의 매력이 발생하는 20년 이후 전기차 수요의 본격적인 성장이 예상된다.
규제: 1) 중국, 2) 미국, 3) 유럽
각 국가별로 친환경차 판매를 독려하기 위한 규제정책을 시행하고 있다.
전 세계에서 가장 적극적인 규제를 가하고 있는 국가는 중국이다.
중국은 NEV(New Energy Vehicle)라는 규제를 도입하고 있다.
중국 내 연간 승용차 판매대수가 3만대 이상인 업체는 19년 연간 생산 또는 판매량에 10%에 해당하는 크레딧을 충족시켜야 한다.
18년 유예기간을 두고 19년부터는 의무시행 사항이 된다.
크레딧을 채우지 못할 경우 1크레딧당 5천위안(85만원)의 벌금을 내야한다.
현재 중국 내 판매되고 있는 전기승용차의 대당 평균 credit은 BEV 2점, PHEV 1점으로 판단된다.
이를 근거로 18년 예상되는 ZEV는 7.8 credit으로 기준치 8%를 소폭 하회할 전망이다.
19년 중국 BEV는 105만대, PHEV는 29만대로 예상한다.
19년 ZEV는 9.9%로 기준치 10%에 근접할 전망이다.
20년 ZEV는 12.8%로 기준치 12% 상회를 예상한다.
이렇게 20년까지 ZEV 기준치에 맞춰서 전기차 판매가 이루어진다면 중국정부의 전기차 판매목표인 20년 누적 판매 500만대에도 부합하게 된다.
주행거리와 충전속도 등 상품성을 갖춘 3세대 전기차가 본격 출시되는 22~23년전까지 전기차 판매량은 NEV 크레딧제도를 충족시키는 수준으로
성장할 전망이다.
22~23년부터는 상품성을 갖춘 전기차 출시와 비용측면의 장점이 부각되며 가파른 판매량 증가를 예상한다.
미국은 ZEV(Zero Emission Vehicle)를 도입해 과거 3년 연속 평균 판매대수 2만대를 초과하는 업체를 대상으로 내연기관 판매 또는 생산량의 일정 비율을 크레딧으로 충족시키도록 하고 있다.
크레딧을 채우지 못할 경우 1크레딧당 5천달러의 벌금을 내야한다.
유럽은 미국, 중국과 달리 유로규제를 통해 디젤차의 배기가스 배출량을 규제하고 있다.
유로규제는 디젤차량의 배기가스 배출량을 제한하는 규제일 뿐, 전기차 판매를 직접적으로 강제하는 규제는 아니라는 점에서 ZEV규제에 비해서는 소극적인 정책이라고 판단된다.
오히려 2024~30년 집중적으로 시행될 ‘내연기관 차량 퇴출 제도’에 주목한다.
유럽의 주요도시들은 2024년 파리와 로마를 시작으로 디젤차량의 진입금지를 시작, 내연기관 없는 도로, 내연기관 진입금지를 추진하고 있다.
2030년이 되면 유럽의 대부분의 주요도시에서 내연기관은 운행이 어려워진다.
내연기관 차량의 평균 교체주기를 10년으로 가정하면 2021~22년을 시작으로 유럽 내 전기차에 대한 수요가 본격적으로 증가하리라 예상한다.
보조금: 1) 중국, 2) 미국
각국 정부는 친환경차 판매에 대한 규제와 동시에 이를 장려하기 위한 보조금을 지급하고 있다.
다만, 보조금 규모는 시간이 갈수록 점차 줄어들고 20년 이후에는 대부분 국가에서 보조금은 대폭 축소되거나 폐지될 전망이다.
중국 보조금 역시 17년부터 보조금이 점차 감소하는 추세다.
중국 정부는 20년까지 보조금을 지급하고 21년부터는 보조금을 폐지할 예정이다.
미국은 2010년부터 차량과 배터리 크기에 따라 2,500~7,500달러의 연방 세금을 감면해주고 있다.
추가적으로 각 주 별로 각자의 기준을 바탕으로 주 세금을 추가 감면해주고 있다.
유가
17년 이후 꾸준하게 감소 중인 OPEC의 잉여생산능력에 주목할 필요가 있다.
OPEC의 잉여생산능력은 글로벌 원유 수급 변동에 가장 효과적인 대응 및 마지막 수단으로 평가되었기 때문이다.
현재 OPEC의 잉여생산능력은 18년 연말 126만 배럴/일, 19년 연말 118만배럴/일로 추정되는 바, 17년 이후 축소 중이다.
사우디 등 주요 산유국을 제외한 OPEC국가들이 생산량 극대화 전략을 펼치고 있어 잉여 생산능력이 소진되었다.
이는 16년 11월 OPEC 감산 결정 시, 감산합의국들은 원유 생산량이 많을수록 감산 협의에서 높은 생산쿼터를 부여 받는다는 가정으로 최대 생산능력에 버금가는 수준으로 생산량을 증가시킨 결과물이다.
18.9 기준 OPEC의 원유 감산이행률은 124%로 파악된다.
지난 5월 159% 대비 큰 폭으로 하락, 이는 OPEC 주요 산유국들의 원유생산량 증가와 잉여생산능력이 감소했음을 의미한다.
또한 러시아 에너지부 장관 알렉산더 노박은 자국의 원유 잉여생산능력을 250만배럴/일 추가할 계획을 발표하며 자국의 잉여생산능력 소진
가능성을 밝혔다.
이란, 베네수엘라의 원유 공급차질을 대응하려는 주요 산유국들의 잉여생산능력이 소진되어 추가 생산여력이 최저 수준이다.
19년 유가 하락보다는 상승 여력이 높다는 기존 당사의 전망을 유지한다.
이는 (1) 사우디, 러시아 등 주요 산유국들의 잉여생산여력 최저 수준으로 하락, (2) 이란, 베네수엘라 등 지정학적 위기에 따른 공급차질 이슈에 따른 원유 공급 타이트가 불가피하기 때문이다.
결론은 19년 유가 상승여력이 더 높고, WTI기준 80달러/배럴 상승을 전망한다.
이는 (1) 미국을 비롯한 주요 원유 소비국가들의 원유 재고량이 감소 중, (2) OPEC의 원유 감산이행률이 100% 이상으로 유지되며 공급 차질에 따른 대응 능력이 떨어진다는 점이다.
기술진보(주행거리, 충전문제 극복)
전기차 수요가 증가하기 위해서는 정부정책이나 유가와 같은 외부변수 외에 전기차 자체의 상품성이 필요하다.
보조금이 감소하는 국면에서 내연기관차 대비 상품성이 없다면 소비자가 굳이 전기차를 선택할 이유가 없다.
현재 전기차가 내연기관 대비 열위에 있는 두 요소는 주행거리와 충전문제다.
1600cc급 준중형 가솔린 차량기준으로 복합 연비 14km에 55L 연료통을 가정하면 주행거리는 770km다.
반면 테슬라 모델S는 478km, 글로벌 전기차 평균 주행 가능거리는 288km로 내연기관 차량대비 아직 한참 열위에 있다.
내연기관에 한참 미치지 못하는 전기차 주행거리는 배터리의 에너지 밀도 증가와 배터리 탑재량 증가를 통해 해결해 나갈 전망이다.
현재 KWh당 6.3km의 주행거리를 내고 있지만 양극재 내 니켈 함유량을 높이고 음극재 내 실리콘 함유량을 높여 배터리 에너지 밀도를 향상시키면 용량당 주행거리는 늘어난다.
배터리 탑재량 자체도 함께 증가하기 때문에 1회 충전시 주행가능거리는 19년 312km, 20년 366km, 21년 436km, 22년 507km로 늘어날 전망이다.
연료충전시간도 전기차가 내연기관 대비 열위에 있다.
내연기관 차량의 평균 주유 시간은 5분 내외다.
전기차의 80% 급속충전시 소요되는 시간은 모델S 30분(120KW로 75KWh의 80% 급속충전), 글로벌 전기차 평균 40분(50KW로 42KWh의 80% 급속충전)이다.
현재 글로벌 급속 충전기의 표준 출력은 50KW다.
미국과 유럽 내 표준으로 자리잡고 있는 CCS(Combined Charging System)표준 충전기는 현재 최대 350KW까지 출력을 낼 수 있다.
일본의 CHAdeMO(차데모)는 17년 200KW의 출력을 내는 표준을 발표했고, 18년 하반기 공개를 목표로 400KW까지 출력을 낼 수 있는 표준을 준비하고 있다.
전기차 시장이 본격 확대되는 22~23년 대부분의 충전기 출력은 이미 400KW급의 성능을 갖추게 될 전망이다.
400KW급의 출력은 모델S에 탑재된 75KWh의 배터리 80%를 9분만에 충전할 수 있는 출력이다.
다만, 현재 배터리는 200KW급 미만까지 수용할 수 있는 단계이기 때문에 배터리의 급속충전 수용능력도 함께 개선되어야 한다.
충전소 인프라 부족도 전기차 구매를 망설이게 하는 요소 중 하나다.
주유기당 차량대수를 살펴보면 중국은 626대, 미국은 417대, 한국은 322대로 추정된다.
전기차의 경우 충전기당 전기차 대수는 이 보다 훨씬 낮다.
그 이유는 각 가정마다 완속충전기를 보유하게 되기 때문이다.
하지만 완속충전기는 충전까지 3시간 이상의 긴 시간이 소요되기 때문에 시내나 고속도로 주행중에 사용하기는 부적합하다.
따라서 일반 시내 및 공공장소에 급속충전기가 얼마나 설치되어 있는지가 더 중요하다.
IEA에 따르면 17년기준 미국은 급속 충전기당 전기차(PHEV+BEV)가 20대, 중국은 10대, 글로벌 33대다.
아직 전기차 등록대수가 매우 미미하기 때문에 충전기당 차량대수가 낮게 나타났지만, 이미 전기차 보급률이 40% 가까이 되는 노르웨이의 경우 충전기당 전기차 대수는 100대다.
이 수준이면 충전걱정은 하지 않아도 된다.
미국은 17년부터 10년간 전기차 인프라에 20억달러를 투자하겠다고 밝혔고, 중국은 20년까지 전기차와 충전소 비율은 1대 1로 맞추겠다고 밝혔다.
글로벌 충전 인프라 투자확대에 따라 충전문제는 극복될 전망이다.
TCO(Total cost of ownership)
환경보호 외에 소비자 입장에서 전기차를 구매해야 하는 당위성은 TCO(총소유비용) 감소에 있다.
총 소유비용에는 초기 차량을 구매하는 차량가격 뿐 아니라 연료비, 보험비, 자동차세, 기타 통행료 및 주차비용도 포함된다.
이 모든걸 고려한 TCO 관점에서 매년 주행거리가 1만km이면서 전기차 보조금이 없다고 가정하고 18년 구매한 전기차를 8년 타면 내연기관 보다 TCO가 낮아진다. 20년 구매한 전기차는 5년, 22년 구매한 전기차는 3년, 25년 구매한 전기차는 1년만 타도 TCO가 내연기관 차량대비 낮아진다.
내연기관 대비 전기차의 TCO 감소속도가 빨라지고 주행거리나 충전문제가 동시에 해결된다면 전기차 수요는 가파르게 증가할 수 있다.
Q2) 배터리 공급은 적정수준인가?
업체별 중대형 배터리 공급 계획
전기차와 ESS향으로 필요한 중대형 배터리 용량은 2017~25년까지 8년간 연평균 40% 성장할 전망이다.
폭발적인 수요증가에 대응하기 위한 업체별 Capa 확보 노력이 이어지고 있다.
현재까지는 파나소닉(Tesla포함)이 가장 많은 capa를 확보하고 있으며, LG화학과 CATL이 그 뒤를 잇고 있다. 18년 기준 글로벌 중대형 배터리 capa는 357GWh로 추정되며 이 Capa를 오로지 전기차 배터리용으로만 생산한다고 가정하면 60KWh 배터리를 장착한 순수 전기차 595만대를 생산할 수
있는 규모다.
20년 Capa는 792GWh, 25년 Capa는 1,482GWh로 예상된다.
중대형 배터리 수급전망
배터리 공장의 실질 가동률은 1) 각 업체별로 차세대 배터리 연구를 위한 파일럿 및 시양산 라인이 존재하고, 2) 배터리 타입과 소재 종류에 따라 배터리 종류가 다양한 점을 고려할 때 90%가 최대치로 파악된다. 여기에 수율 90%를 반영한 물량이 실질 생산가능 수량이다.
결국 Design capa의 81%만이 실질 생산가능 수량이 되는 셈이다.
글로벌 중대형 배터리 공급과잉률은 20년을 peak로 감소할 전망이다.
20년 공급 과잉률이 증가하는 이유는 20년 이후 전기차 시장의 본격적인 성장을 앞두고 공장 완공이 집중되기 때문이다.
이후 공급과잉률은 계속 하락해 25년 121%에 도달할 예정이다.
중국을 제외한 수급을 계산해보면 마찬가지로 20년 공급과잉률 193%를 peak로 24년 99%를 거쳐 25년에는 84%로 공급부족 국면에 이를 전망이다.
중국의 경우 경쟁력이 없는 영세 업체들이 무분별하게 증설 계획을 밝혀놓은 물량이 많기 때문에 공급부족 시기는 25년보다 더욱 앞당겨 질 가능성도 있다.
실제로 중국 내 4번째로 큰 capa를 보유하고 있는 Optimum Nano가 18년 3월 무역대금을 지불하지 못해 디폴트 선언을 한 사례가 대표적이다.
현재는 12월까지 공장 가동을 중단한 상태이며 재고자산을 처분해 채무를 상환할 계획을 가지고 있다.
이외에도 중국 내 경쟁력 없는 업체들의 Capa 증설이 현실화 되지 못한다면 공급부족 시기는 앞당겨 질 수 있다.
대당 탑재되는 배터리 용량이 예상보다 빠르게 늘어날 경우 또한 공급부족 시기를 앞당길 수 있다.
18년 기준 대당 탑재되는 평균 배터리 용량은 42KWh로 추정된다.
19년 45KWh, 20년 48KWh를 넘어 25년 60KWh로 예상한다.
현재 테슬라 모델S는 모델별로 75~100KWh의 배터리를 탑재하고 있다.
주행거리를 늘리기 위해 탑재량을 더 늘릴 경우 배터리 수급은 예상보다 더욱 타이트해질 수 있다.
Q3) 배터리는 Commodity 인가?
Commodity 의 두 가지 조건
Commodity의 두 가지 조건은 1) 제품 차별화가 되지 않아야 하고, 2) 후발 업체가 더 낮은 가격으로 공급할 경우 시장가격이 그 낮은 가격으로 수렴해야 한다.
결론부터 이야기 하면 배터리는 장기적으로는 Commodity가 될 수 있지만, 단기간 내에 Commodity가 될 수는 없다.
자동차용 배터리에 요구되는 조건은 ‘성능 x 안전성’으로 표현할 수 있다.
곱셈이기 때문에 둘 중 하나라도 부족하면 전체 점수는 내려간다.
새로운 소재를 사용해 성능 좋은 배터리를 개발해도 안전성 테스트만 2년을 진행하고 공급 레퍼런스도 있어야 고객 확보에 유리하다.
반도체나 디스플레이처럼 제품 성능만으로 승부를 볼 수 있는 시장이 아니다.
반면 소형 전지는 90년 소니가 원통형 전지를 개발한 이후 성능은 한계에 도달했고, 오랜시간 동안 업체들의 안전성에 대한 레퍼런스가 확보되면서 소형전지는 Commodity화 되어 왔다.
하지만 현재 차량용 배터리 시장은 배터리 업체간 제품 성능 격차와 안전성에 대한 레퍼런스 차이가 존재하는 단계이므로 아직 Commodity를 논할 단계는 아니다.
차량용 전지 출하량은 18년 8월 누적기준 파나소닉이 23%로 1위, CATL, BYD, LG화학이 뒤를 잇고 있다.
파나소닉은 테슬라향으로 공급되는 NCA양극재를 사용한 원통형전지를 주력으로 공급하고 있다.
CATL과 BYD는 로컬 향으로 공급되는 LFP와 NCM111양극재를 사용한 각형 및 파우치를 주력으로 공급하고 있다.
LG화학은 미국 및 유럽 고객향으로 공급되는 NCM622양극재를 사용한 파우치형을 주력으로 공급하고 있다.
수량기준으로는 CATL과 BYD가 LG화학을 앞서있으나 전지의 성능은 LG화학이나 AESC가 주력으로 공급하고 있는 NCM622을 탑재한 전지가 훨씬 앞서있다.
완성차업체 입장에서는 출력과 주행거리 측면에서 우위에 있는 전지에 대한 선호가 생길 수밖에 없다.
중국업체가 니켈함량이 높은 NCM 배터리의 성능을 구현하는데도 시간이 필요할 뿐 아니라 완성차 업체로부터 안전성 인증도 받으려면 최소 2년이상의 시간이 필요하다고 판단한다.
그 사이 국내 및 일본 전지업체들은 니켈함량이 더 높고 실리콘 함량이 더 높은 전지를 상용화할 전망이므로 이러한 격차는 상당기간 유지되리라 예상한다.
Commodity의 두번째 조건인 후발주자의 저가공급에 의한 시장가격 하락은 배터리 산업에 적용되기 어려운 메커니즘이다.
배터리는 다른 IT부품(반도체나 디스플레이)에 비해 원가에서 원재료가 차지하는 비중이 높다. 즉 가격을 내리는데 한계가 존재한다.
반도체의 주 원재료는 웨이퍼(실리콘), 가스, 화학 약품 등이다.
디스플레이의 주 원재료는 BLU(전기아연도금강판), 편광판, PCB(구리), 유리 등이다.
반면 배터리는 삼원계 기준 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄, 구리, 흑연 등 국제시장에서 거래되는 금속들이다.
금속 가격은 기술변화와 무관하게 기본적인 내재가치가 있기 때문에 당시 수급상황에 의해 가격의 등락이 있을 순 있어도 일정수준 이하로 하락할 수는 없다.
따라서 자본력을 가진 업체라고 할지라도 규모의 경제를 통해 가격을 꾸준하게 내릴 수 없는 구조다.
게다가 배터리는 반도체/디스플레이와 달리 마이그레이션(migration)을 통한 원가절감이 불가능하기 때문에 가격경쟁 보다는 물리적인 한계에 이르기 전까지는 ‘성능’ 과 ‘안전성’ 경쟁을 해야하는 시장이다.
배터리 업체들의 흑자전환 시점
18년 셀 가격은 122달러, 팩 가격은 187달러로 추정된다.
25년 셀 가격은 84달러, 팩 가격은 129달러로 2018~25년까지 연평균 5%씩 판가하락이 예상된다.
다만 판가 하락의 기울기는 20~21년을 기점으로 완만해질 전망이다.
배터리 가격이 25년까지 연평균 5%씩 하락할 수 있는 이유는 1) 소재 변경을 통한 재료비 절감 2) Capex 투자를 통한 고정비 레버리지, 3) 생산효율성 증가 등의 이유 때문이다.
배터리 셀 가격은 원가의 65%를 차지하는 재료비를 10%만 줄여도 전체 원가는 6.5% 하락한다.
참고로 소형전지의 원재료 비중은 45%다.
NCM523 양극재를 NCM811 혹은 NCA 양극재로 변경할 경우 원가 감소분은 13%다.
배터리 셀 원가 중 양극재 비중이 28%인 점을 고려하면 배터리 가격은 4% 감소한다.
양극재를 구성하는 메탈가격이 하향 안정화 된다면 배터리 원가는 추가적으로 내려갈 수 있다.
코발트 가격이 10% 하락하는 경우를 가정하면 NCM523 양극재 가격은 5.6%, 셀 가격은 1.6% 하락한다.
NCM622 양극재 가격은 5.3%, 셀 가격은 1.5% 하락한다.
NCM 811 양극재 가격은 3.2%, 셀 가격은 0.9% 하락한다.
여기에 Capex 투자를 통한 고정비 레버리지와 생산효율성 증가의 효과들이 더해져 중장기적으로 셀가격은 25년 84달러, 팩가격은 130달러까지 내려갈 수 있다.
LG화학, 삼성SDI, CATL 등 경쟁력 있는 선두업체를 제외한 글로벌 평균 배터리 업체들의 수익성은 23~24년 확연하게 개선될 수 있다고 판단한다.
23~24년 이전까지는 소재변경과 생산효율 및 연구개발비의 3가지 분야에서 원가를 감소시켜 나갈 전망이지만 23년부터는 가동률 상승에 따른 고정비 레버리지 효과가 예상된다.
이 시점은 글로벌 전기차 시장의 본격적인 성장 시기와도 맞물린다.
24년부터 30년까지 진행될 유럽 내 내연기관 판매 금지 및 운행금지 정책이 전기차 수요를 강하게 드라이브할 전망이다.
Q4) 배터리 차별화 요인은 무엇일까?
배터리의 차별화는 ‘소재’ 에서 나온다.
어떤 소재를 사용하느냐에 따라 1) 배터리 성능(주행거리, 충전속도), 2) 안전성, 3) 가격 경쟁력이 결정된다.
최근 10년간 배터리 특허 출원건수는 꾸준하게 증가해왔다.
파나소닉이 1,187건으로 가장 많은 특허를 출원했으며 LG화학과 도요타가 그 뒤를 잇고 있다.
분야별 특허 출원 중에서는 4대소재 관련된 특허건수가 전체 건수의 71%를 차지하고 있다.
결국 배터리의 핵심기술은 소재에 있다는 의미다.
전기차용 전지에 요구되는 특징은 위에서 언급한 성능, 안전성, 가격이다.
이 세가지 모두 어떤 소재를 사용하느냐에 따라 결정된다.
전지의 용량과 전압을 결정하는 양극재, 전지의 전체적인 시스템을 결정하는 음극재, 리튬의 이동성과 충전속도를 결정하는 전해액, 안전성을 결정하는 분리막을 배터리 차별화의 4대 요소로 판단한다.
양극재 테크 로드맵
리튬이온전지는 다른 전지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있다는 장점을 앞세워 전동공구, 휴대폰, 노트북 등 많은 어플리케이션에 탑재되어 왔다.
하지만 자동차의 에너지원들과 비교했을 때 에너지 밀도(물리적 한계가 250Wh/kg)는 초라할 정도로 부족하다.
전지 소재 중 양극재는 전지의 출력을 결정한다.
에너지 밀도를 끌어올리기 위해서는 양극활물질의 에너지 밀도를 최대한 끌어올려야 한다.
가장 쉽게 에너지밀도를 높일 수 있는 방법은 니켈 함유량을 높이면 된다.
니켈 함유량이 33%인 전지에 비해 90%를 함유한 전지의 에너지 밀도는 18% 더 높다.
현재 니켈 함유량이 80%인 전지까지 개발된 상태다.
니켈 함유량이 높아질수록 안전성은 떨어지기 때문에 니켈 함유량이 80% 이상인 NCM 양극재가 전기차에 본격적으로 쓰일 수 있는 시점은 20년 이후로 예상한다.
현재는 니켈 60%를 함유한 전지가 메인으로 쓰이고 있다.
또한 전지 전압을 높이면 니켈 함유량을 올린 상태에서도 에너지밀도를 8% 추가로 상승시킬 수 있다.
이외 양극활 물질을 입히는 과정에서 패키징 밀도를 높이면 에너지 밀도를 추가적으로 10% 개선시킬 수 있다.
삼성SDI는 이러한 방법들로 2세대 전지(94Ah)대비 용량을 키운 3세대(120Ah)를 개발하고 공급할 수 있게 됐다.
하지만 위 방법들로는 리튬이온 전지의 물리적인 에너지 밀도 한계치인 250~300wh/kg을 넘기기 쉽지 않다.
이 이상을 넘어서기 위해서는 탄소와 에어로 이루어진 새로운 양극 및 양극활 물질이 필요하다.
금속-에어와 리튬-에어가 그 후보군이다.
두 전지 모두 양극으로 다공성 탄소를 사용하고, 양극활 물질로 에어를 사용한다.
반면 금속-에어는 음극으로 아연, 철 등의 금속을 사용하고 리튬-에어는 리튬을 사용한다.
결국 금속-에어는 금속과 산소를 반응시키고, 리튬-에어는 리튬과 산소를 반응시켜 전기를 발생시키는 원리로 구동된다.
이들의 에너지 밀도는 기존 리튬이온 전지 대비 3~10배 더 우수하다.
다만 공기중의 이산화탄소가 양극으로 유입되는 점, 충방전시 분극저항 발생 등 아직 해결해야 할 문제들이 있어 25년 이후 상용화가 가능할 전망이다.
음극재 테크 로드맵
음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수/방출하면서 외부회로로 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.
양극재는 소재를 교체해도 전지 시스템을 바꿀 필요가 없지만, 음극재를 변경할 경우 완전히 새로운 전지가 되기 때문에 전해액 뿐만 아니라 제조 공정이 통째로 바뀌어야 한다.
이러한 이유로 양극재와 달리 음극재는 30년 가까이 흑연 소재 음극재를 사용해왔고, 에너지 밀도 측면에서 그 한계에 직면한 상태다.
음극재는 기존 흑연 베이스에 실리콘 등의 비흑연물질을 섞는 방식으로 에너지 밀도를 높여나가고 있다.
실리콘은 흑연보다 10배 이상의 에너지 용량를 가지고 있지만, 전기 전도도가 낮고 충방전 반복시 부피가 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생한다.
심지어 입자가 부서지거나 전극이 벗겨져 전지 성능을 급격히 감소시키는 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
이를 해결하기 위해 실리콘 나노입자를 기계적 강도와 전기 전도성이 우수한 다공성 구형 탄소 구조체에 내장시켜 부피팽창이 탄소 구조체 내에서만 일어나도록 해 음극재의 안정성과 고성능을 동시에 확보해 나가고 있다.
현재 흑연 음극재에 첨가되는 실리콘 첨가비중이 5~10% 수준에 이르고 있다.
LG화학은 5%를 첨가하고 있고, BYD와 CATL은 10%까지 첨가할 수 있는 전지를 준비하고 있다.
현재 차량용 전지에 실리콘 첨가제를 공급하는 업체는 일본 신에츠(Shinetsu)와 국내 대주전자재료 정도로 파악된다.
음극재는 에너지 밀도 외에 급속충전 속도를 결정짓는 역할도 한다.
배터리에서 충전은 양극의 리튬과 전자를 음극으로 보내는 일이다.
현재 배터리 충전기의 표준은 300~400KW급까지 개발 및 상용화가 되어 있지만 배터리의 급속충전 표준은 아직 50~120KW급에 그치고 있다.
배터리가 충전기의 급속충전 속도를 따라가지 못하고 있는 셈이다.
음극 내 리튬이 들어오는 Gateway를 아래 그림처럼 다방면으로 늘리면 리튬이 더 빠르게 쌓일 수 있다.
전해액 테크 로드맵
전해액은 양극과 음극에 리튬이온을 전달하는 교통수단의 역할을 한다.
이외 양극과 음극을 보호하는 역할도 하고 있다.
인체 내 혈액이 구석구석을 순환하며 세포와 기관에 생명을 불어 넣듯, 전해액도 전극에 생명을 불어 넣는 역할을 하고 있다.
즉, 전해액을 얼마나 골고루 활물질에 분포시키고 유지하느냐가 전지 설계에 있어서 매우 중요하다.
전해액은 염, 용매, 첨가제로 이루어져있다. 염은 LiPF6라는 전해질이고 수명과 저온 방전량에 영향을 준다.
용매는 리튬이온 이동도에 영향을 주고, 첨가제는 양극과 음극을 보호하기 위한 안정화 첨가제로서 양쪽 극에 따로 넣어준다.
이 중 첨가제가 성능 차별화에 가장 중요하기 때문에 고부가 제품이다.
하지만 전해액은 스스로가 가진 성능과 안전성의 한계 때문에 고체전해질로 대체될 전망이다.
전해액은 고전압이나 저전압에서 분해돼 양극과 음극을 손상시킨다.
고전압에서는 산화돼 양극을, 저전압에서는 환원돼 음극을 열화시킨다.
이 과정에서 전해액이 줄어들고 전극 표면에 저항층으로 작용하는 부산물이 형성돼 배터리 성능이 떨어지게 된다.
또한 전해액은 기본적으로 인화성 물질이기 때문에 인화 및 폭발의 위험을 가지고 있다.
고체 전해질은 발열과 인화성이 없고 액체 전해질처럼 양극 및 음극과 만나 반응하지 않기 때문에 기존의 단점들을 극복할 수 있다.
뿐만 아니라 충전속도와 구동 전압을 대폭 향상시킬 수 있어 에너지 밀도 향상에도 도움이 될 전망이다.
다만 이온전도도가 낮다는 점, 계면저항이 높다는 점, 대면적화가 어렵다는 점 등의 단점은 극복해야 할 과제다.
현재로서는 황화물계 고체전해질이 가장 우수하다는 분석이 지배적이다.
여기에 첨가제를 넣는 등의 방식으로 단점을 극복해나가고 있다.
현재 많은 전지 및 자동차 회사들이 전고체 배터리에 투자하고 있으며 25~30년 상용화가 예상된다.
메리츠20181107전기전자.pdf
