투자 페이스메이커

2차 전지에 대해 공부해보자.

투자를 위해 공부하는 것이니 너무 깊게 파고들기보다는 산업에 대한 감을 잡는 수준까지만 가보자.

2차 전지란?

1차 전지는 충전해서 다시 사용할 수 없는 전지를 의미한다. 대표적인 예는 우리가 사용하는 건전지이다.(물론 충전지도 있긴하지만 대부분은 1회용 건전지이다) 2차전지는 1차에서 나아가 충전 및 재사용이 가능한 전지를 의미한다. 2차전지는 말그대로 충전이 가능한 전지를 의미하는 것이기 때문에 사용하는 소재에 따라 여러 종류가 있다. 현재 주로 사용 되는 2차전지는 리튬이온전지이며 이는 1991년 일본의 소니가 개발한 것이다.

리튬이온전지 원리?

리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하면서 전류를 발생시킨다.

리튬이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 물질 산화환원반응으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 산화환원 반응은 반응물간 전자(e-)이동으로 일어나는데 전자를 잃은 쪽을 '산화'됐다고하고 전자를 얻은쪽을 '환원'됐다고 한다.

다소 헷갈릴 수 있는데 천천히 단계별로 다시 살펴보자.

<방전 과정>

a. 음극에 있던 리튬이 산화반응을 통해 리튬이온(Li+)과 전자(e-)로 분리된다.

b. 전자는 회로를 통해 양극으로 가고 리튬이온은 전해액을 타고 분리막을 지나 양극으로 이동한다

c. 양극에서 다시 리튬으로 결합한다.

<충전 과정>

a. 양극에 있던 리튬이 산화반응을 통해 리튬이온(Li+)과 전자(e-)로 분리된다.

b. 전자는 회로를 통해 음극으로 가고 리튬이온은 전해액을 타고 분리막을 지나 음극으로 이동한다

c. 음극에서 다시 리튬으로 결합한다.

요 자료도 한번 살펴보자.

리튬이온전지 4대 소재

흔히 2차전지의 '4대 소재'에 대한 얘기를 들어봤을 것이다. 그것들은 바로 위 그림에 있는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이다. 위에서 간단하게 소개하긴 했지만 다시 한번 자세히 살펴보자. 소재업체들에 투자하기 위해서는 이 부분에 대해 잘 알아야한다.

a. 양극재

•  양극 기판 위에 바르는 물질이다. (참고로 양극기판은 그림속의 양극기재에 해당되는데 알루미늄으로 제작된다)
• 양극재는 전구체와 리튬을 섞어서 만든다. (전구체70% 리튬27%+가스(질소 등) 3%)
• 전구체의 종류는 5가지 정도로 분류된다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(AI) 등을 조합하여 NCM, NCA, LMO, LCO, LFP(리튬인산철) 이 대표적이다.

니켈은 무겁고 힘이 강한 원소이다. 따라서 니켈의 비중이 올라가면 베터리의 힘이 강해진다. 양극재에 들어가는 니켈 외의 원소들은 니켈의 안정성을 제어해주는 역할이다. NCM의 경우 니켈 함량이 80%인 NCM811부터는 니켈의 안정성을 매우 적은 양의 코발트와 망간으로 제어해야 하기 때문에 공정이 매우 고도화된다. 

국내 업체는 NCA와 NCM 위주이다. LFP는 중국 업체들이 많이 사용한다. LFP는 니켈 대신 철을 사용한 것이며 NCA와 NCM 대비 안정성은 높지만 효율은 다소 떨어진다.

참고로 양극재는 원재료 비중이 무려 70%이기 때문에 영업이익률이 낮다. 다만 에코프로비엠의 경우 전구체 제작 등 양극재의 모든 단계를 수직계열화 하였기 때문에 원가경쟁력이 있는 편이다(OPM 7~8%). (참고로 포스코케미칼은 3%,L&F는 적자)

b. 음극재

• 음극재는 흑연으로 제작한다
• 천연흑연과 인조흑연이 있는데 보통 섞어서 사용한다. 
• 천연흑연은 에너지 용량이 인조대비 높지만 수명이 상대적으로 짧다. 인조흑연은 반대이다 
• 국내에서 음극재를 생산하는 곳은 포스코케미칼이 유일하다. 현재 천연흑연음극재만 생산하고 있으며 2023년부터 인조흑연 음극재도 생산 예정이다.
• 배터리는 음극과 양극이 리튬을 주고받는 과정이다. 따라서 양극과 음극의 균형이 중요한데 양극은 니켈함량을 꾸준히 높이면서 힘이 강해졌으나 음극은 제자리걸음이었다. 그래서 최근에는 음극도 강화하기 위해 첨가물을 넣기 시작했다. 그것이 바로 실리콘 산화물(SIOX)과 실리콘 카본(SIC)이다. 흑연 음극 용량의 5~10%를 첨가한다.
• 음극 실리콘산화물(SIOX) 첨가물을 생산하는 국내 기업은 대주전자재료가 유일하다.
• 실리콘카본(SIC) 첨가제는 한솔케미칼이 생산한다.
• 실리콘 첨가제 산업이 좋은 것은 실리콘 원재료가 비중이 30%밖에 되지 않는다는 것이다. 따라서 영업이익률이 높다.(대주전자재료 영업이익률 현재 10%대 중반 수준)
• 아직 양극재 시장은 NCM622가 대세인데 니켈 8부터는 음극재 첨가물 시장이 급성장할 것으로 기대된다.(니켈힘이 강해지면서 음극재 힘도 강화해주어야 하기 때문)

c. 분리막

• 분리막은 리튬이 지나가야하기 때문에 다공성 즉 구멍이 효율적으로 잘 뚫려있어야한다
• 리튬외에 다른것이 통과하면 폭발 사고가 난다. 따라서 내구성이 중요하다. 구멍이 찢기면 안되기 때문이다.
• 분리막은 생산이 어렵기 때문에 경쟁강도가 낮다. 국내의 SKIET, 일본의 아사히, 도레이, W스코프, 중국의 상연은첩등은 마진율이 30%를 상회한다. (SKIET 21년 1분기 분리막 마진 40%)
• 단 현재의 2차전지 형태에서 전고체베터리로 바뀔 경우 분리막 사업은 망한다. 분리막이 필요가 없어지기 때문이다. SKIET도 이 리스크에 대비해서 고체 전해질을 개발중이다.

d. 전해액

• 리튬을 옮겨주는 역할이며 '전해액=전해질 + 용매 + 첨가제' 이다
• 전해액 업체가 하는 일은 위 각각의 원재료를 구매해서 혼합하는 것이다.
• 전해액의 특징은 폭발물이며 변질이 쉽다는 것이다. 따라서 운송거리를 줄이기 위해 일반적으로 배터리 업체 바로 옆에 짓는다. 
• 전해액은 국내에서는 동화기업, 솔브레인, 엔켐이 생산하며 글로벌 시장의 메이저는 일본기업들이다.
• 전해액 생산에서 가장 중요한 것은 첨가제이다. 물량 기준으로는 전해액이 100%이면 용매가 85, 전해질 10 첨가제 5 수준이나 원가 비중으로는 용매 40 전해질 30 첨가제 30 수준이다. 
• 전해액 첨가제 시장은 일본이 꽉 잡고 있는데 국내에서는 유일하게 천보가 사업을 키우고 있다.