워낙 유명한 2차전지 종목들이 넘치고 있는데, 최근 양극재는 에코프로를 필두로 상승하고 있지만 음극재는 아무래도 비실비실하게 유지되고 있다. 아직 덜 오른 음극재 중 현재 개발중인 실리콘 음극재에 관련한 밸류 체인에 대해 정리해보자함.
하나증권의 박현수 애널리스트의 리포트를 참고하였다
음극재의 성능이 향상되어야 하는 이유?
1. 양극재는 현재 전기 저장용량이 향상된 하이니켈 양극재가 실제 적용되고 있으며 현재 양극재와 음극재의 용량은 거의 최대에 도달하였으며, 그 이상의 전기차 효율 증가를 위해서는 배터리 탑재량 자체가 늘어야 하는 상황임.
2. 양극재의 니켈과 비슷하게, 음극재에 실리콘이 첨가되는 경우 밀도 증가가 가능하므로 셀단위의 용량증가가 가능하므로 동일 무게 대비 더 많은 배터리 탑재가 가능해지며 결과적으로 주행거리 증가가 가능해 질 수 있음.
3. 25년 기준 500mAh/g 내외 용량 밀도 보유한 음극재 상용화 가능할것으로 예상되며, 음극재 밀도가 500mAh/g 으로 증가하면 기존에 대비 20% 이상의 배터리 탑재 용량이 증가 할 것으로 예상됨.
4. 관련 기업으로 대주전자재료, 나노신소재, 제이오 등이 있음
5. 리포트에서 제시하는 기업외에 한솔케미칼, 포스코, sk머티리얼스, SKC, 동진쎄미켐 등도 음극재 사업 진행중.
음극재 시장의 이슈 - IRA 수혜와 중국 기업들
1.과거에는 음극재와 전고체 등의 분야에 대해서는 중국기업들에게 가격 경쟁력에 밀린다고 인지되어 투자에 부정적이었음. 그러나 IRA와 같은 중국배제 정책에 따라 국내 기업들의 음극재 시장 진출이 본격화 됨.
2. 미국의 IRA 정책에서 음극재가 원소재로 인정면서 FTA 국가에서 생산/제조 하더라고 보조금을 받을 수 있도록 정의 되었음. 따라서 국내 기업들은 국내 생산 후 미국 수출시에도 IRA 보조금을 받을 수 있게됨.
3. 2032년까지 향후 미국 전기차 시장 10년간 연평균 +27%(유럽 +16%, 중국 +12%) 성장 전망되며, 그에 따른 배터리 밸류 체인들의 성장도 고성장 할 것으로 기대할 수있음.
실리콘 음극재와 그 특징
1. 차세대 음극재 기술로 실리콘이 검토되는 것은 실리콘이 가지는 두 가지 특성, 1) 리튬 저 장 능력, 2) 작동 전위 때문
2. 흑연(천연흑연, 인조흑연)은 리튬이온과 6:1 비율로 결합(LiC6), 이 에 반해 실리콘은 리튬이온과 4:15 비율로 결합한다(Li15Si4). 결합 비율의 차이는 각 음극 재의 리튬 수용 능력 차이를 유발하며, 리튬 수용 능력의 차이는 음극재의 용량 밀도와 충전 속도의 차이로 연결된다.
3. 실리콘을 첨가함으로써 음극재의 리튬 수용 속도가 향 상되어 배터리 충전 시간 단축도 가능하며, 고속 충전도 가능
4. 실리콘 음극재 개발 속도가 가장 빠른 것은 실리콘의 작동 전위가 낮기 때 문이다. 앞에서 언급한 바와 같이 배터리의 전압은 양극재, 음극재 전위의 차이로 결정이 되며, 전압 강하를 최소화하기 위해서는 낮은 작동 전위의 음극재가 필수적.
5. 실리콘 음극재 시장 개화를 앞둔 현 시점에서 SiOx와 Si-C가 상용화에 근접한 것으로 판단되며, 먼저 해당 기술에 대한 내용을 분석함.
6. SiOx, Si-C는 실리콘 음극재의 pure 실리콘의 부피 팽창 이슈(Swelling), 실리콘 나노 화의 한계로 인해 도입된 실리콘 화합물이다. 실리콘 합금 대비 상용화에 보다 가까운 기술임.
7. SiOx는 수명 안정성, 즉 부피 팽창 이슈에서 Si-C 대비 우수함. 결합체의 비가역특성으로 인해 안정적으로 음극재 구조 유지가 가능. (비가역적 = 변화하지 않음, 또는 분해되지 않음, 구조가 해체되지 않으며 합성 상태를 잘 유지함)
8. Si-C는 SiOx 대비 높은 쿨롱 효율을 나타남 (쿨롱 효율이 높을수록 용량 손실이 적음). 리튬 이온의 자유도는 상승, 상대적으로 에너지 밀도 상승에 용이하지만 스웰링 현상이 약점임
9. 상용화를 앞둔 실리콘 음극재를 엄밀하게 재정의하자면 ‘실리콘이 첨가된 흑연 음극재’인 데, 첨가된 실리콘의 질량백분율(wt%)에 따라 음극재의 용량 밀도가 결정됨. Si 화합물 첨가 비율에 따른 음극재의 용량 밀도는 5wt%일 때 402mAh/g, 10wt% 444mAh/g, 20wt% 528mAh/g 수준일 것으로 추정함.
10. 실리콘 음극재 시장 규모는 2022년 기준 약 6천톤으로 음극재 시장 내 무게 기준 점유율은 1.4%에 불과하지만, 전체 매출에 대해서는 11.1%에 육박함. 즉 가격이 10배정도 비싸다는 의미. 가격이 비싼것을 부가가치 부분에서 이득이지만 반대로 시장 점유율 증가에 대해서는 단점으로 작용 할 수 있음.
11. Tesla는 2021년 하반기 ‘실라이온(SilLion)’을 인수하며 ‘실리콘 입자로 구성 된 대형 배터리 음극재’ 기술 특허를 출원하여 4080배터리에 실리콘 음극재를 사용할 것으로 예상. 테슬라의 기술 적용은 다수의 경쟁사 들의 실리콘 음극재 적용을 촉진하는 효과가 있을 것으로 보임.
12. VW는 2021년 진행했던 ‘파워데이’ 통해 에너지 밀도 향상, 충전 시간 단축 위해 실리콘 음극재 적용 확대할 계획 밝힌 바 있으며, Porsche의 경우 실리콘 음극재 적용 배터리 탑 재한 타이칸 EV 모델 판매 중 (포르쉐는 대주전자재료가 납품).
삼성 SDI도 자체 제조한 실리콘 음극재가 포함된 배터리를 BMW에 납품한 전력이 있음
실리콘 음극재 관련 밸류 체인과 CAPA 이슈
1. 국내 SiOx 관련 기업 : 대주전자재료, 포스코그룹
2. 국내 Si-C 관련 기업 : 한솔케미칼, 포 스코그룹, SK그룹, 엠케이전자
3. LG에너지솔루션은 포스코그룹, 대주전자재료와 함께 실리 콘 음극재 관련 협업중
4. 삼성SDI는 한솔케미칼, 엠케이전자, 동진쎄미켐 등과 협업
5. SK on은 SKC, SK머티리 얼즈그룹14과 함께 실리콘 음극재 사업을 진행 중
6. 각 사의 실리콘 음극재 생산 예정일자 및 CAPA 현황은 아래와 같음. QR리서치 코리아의 자료에 따르면, 국내 실리콘 음극재 생산능력 연평균 41% 증가할 것이라고 함.
7. 공정 및 설비 증설에 대한 자료는 조사 기업에 따라, 조사 시기에 따라 상이함.
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