산업기술이슈 리튬이온전지소재기술동향분석및전망 < 목차 > Ⅰ. 리튬이온전지개요 Ⅱ. 리튬이온전지산업현황 Ⅲ. 리튬이온전지소재기술동향 Ⅳ. 리튬이온전지소재시장동향 Ⅴ. 시사점 Ⅰ 리튬이온전지개요 리튬이온이이동하는고성능이차전지리튬이온전지 (Lithium Ion Battery) 는리튬염전해액을사용하는이차전지 1) 로양극활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액및용기로구성 - 양극활물질은금속산화물 2), 음극활물질은흑연분말로써각각알루미늄과구리박막에코팅후건조하여전극판을형성 - 분리막은다공성고분자필름으로양극과음극의물리적접촉을방지하는전기적절연체이며, 전해액은리튬염을유기용매에용해시킨용액 - 리튬은전자를잃고양이온이되려는경향이강하므로, 리튬이온전지는기존의납축전지및니켈전지보다우수한작동전압및에너지용량을구현 * 본고는기술평가부송민규차장이집필하였으며, 본고의내용은집필자의견해로당행의공식입장이아님 1) 충전과방전을반복할수있는에너지저장장치 2) 코발트, 니켈, 망간및티타늄등의산화물에리튬이온이도핑된물질 132
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 원통형리튬이온전지의구조및특징 원통형리튬이온전지구조 이차전지작동전압비교 이차전지에너지용량비교 자료 : 업계자료 (2012.03) 리튬이온이양극에서음극으로이동하는것이충전 ( 전력저장 ) 이고, 방전 ( 전력 사용 ) 은리튬이온이음극에서양극으로이동 리튬이온전지의충방전원리 자료 : 일본산업기술총합연구소 (2011.10) 리튬이온전지는전극판과분리막을적층하고두루마리형태로감아서용기에 삽입한후, 전해액을주입하고밀봉하여제조 - 리튬이온전지는형상에따라원통형, 각형및파우치형으로구분하며, 133
산업기술이슈 전해액을겔 (Gel) 화하여분리막과결합시킨경우에는리튬이온폴리머전지로 명명 Ⅱ 리튬이온전지산업현황 소형 IT기기에서전기차까지용도확장 91년일본 Sony에의해 IT기기용원통형전지가최초로상업화된이후, 전동공구및전기차시장으로지속적용도확장 - 리튬이온전지는경박단소 ( 輕薄短小 ) 를지향하는첨단 IT 산업의에너지고용량화수요에부합하여기존의니켈전지를대체 - 96년각형, 99년파우치형, 03년전동공구용원통형전지가개발되고 09년전기차 3) 용중대형제품이출시 - 금속공기전지 4) 등차세대전지의실용화지연으로리튬전지는 20년이후까지이차전지시장을주도할것 3) 내연기관과이차전지가조합된 Hybrid Electric Vehicle(HEV) 이외부접속에의해충전이가능한 Plug-in Hybrid Electric Vehicle(PHEV) 및내연기관없이고출력이차전지로만구동되는 Battery Electric Vehicle(BEV) 로발전 4) 방전시공기중의산소 (O 2 ) 를양극 ( 촉매 ) 에서소모시키는이차전지로 IBM, BASF 및 Toyota 등이리튬공기전지및아연공기전지등을개발중 134
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 리튬이온전지산업의주요연혁 구분 1991 1996 1999 2003 2009 신규출시 원통형각형파우치형 공구용 원통형 전기차용중대형 제품형상 개발사 용도 캠코더휴대폰휴대폰노트북 PDA PDA 전동공구 전기차 총생산량 0.1억개 1.2억개 4.1억개 13.2억개 32.4억개 시장규모 1.5억불 12억불 27억불 33억불 100억불 전지용량 1,000 mah 1,200 mah 1,800 mah 2,200 mah 3,000 mah 주 : 전지용량은원통형 18650 5) 기준의해당연도평균에너지용량 자료 : 한국전자정보통신산업진흥회 (2009.11), 당행재작성 한국 일본 중국의치열한파워게임 08년부터국내업체의제품신뢰성향상과소재국산화에의해일본선발업체 (Sanyo 및 Sony) 의기술차별력및중국후발업체 (BYD 및 Lishen) 의저가매력도는약화 - 11년삼성SDI의출하량은일본 Sanyo와 Panasonic의출하량합산치를상회하며실질적인세계 1위업체로부상 - 제품신뢰성, 고도의생산기술및환율혜택을기반으로삼성SDI와 LG화학은 10~12% 의안정적영업이익률을달성하며본격적인성장궤도에진입 5) 지름 18 mm 높이 65 mm 의원통형리튬이온전지국제표준규격 135
산업기술이슈 주요제조사출하량추이 주요제조사이익률추이 자료 : Institute of Information Technology(2012.02), 당행재작성 05년부터발생한전지의발화및폭발사고에의한리콜로일본 3개사의신뢰도가약화되자, 품질관리에성공한삼성 SDI 와 LG화학의지배력이강화되며, 업계가재편되는계기로작용 - 주요제조사가원가절감과동시에전지의고용량화 6) 경쟁에돌입하면서리튬전지의발화또는폭발사고가발생 - LG화학과 Sony는리콜에의해대규모적자가발생하고브랜드가치가훼손되자 06년 ~ 07년전지사업의매각을검토한바있고업계 1위 Sanyo는 09년 12월 Panasonic에합병 안전사고에의한리튬이온전지리콜사례 시기 고객사 리콜대수 제조사 피해규모 사고사례 09~ 11 HP 300,000 비공개 비공개 08. 10 HP, Dell 600,000 Sony 비공개 07. 08 Nokia 46,000,000 Panasonic 800억엔 07. 03 Lenovo 비공개 Sanyo 비공개 06. 12 Mitsubishi 1,300,000 Sanyo 20억엔 6) 일정규격의용기내에에너지를저장하는전극재료를더많이충진하기위해전극판의두께와밀도는증가시키고분리막의두께는감소시키자안전성문제노출 136
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 시기 고객사 리콜대수 제조사 피해규모 사고사례 05~ 06 Dell 外 8 社 9,660,000 Sony 510억엔 05. 10 HP 135,000 Sony 비공개 05. 05 Apple 128,000 LG화학 비공개 04. 08 Apple 28,000 LG화학 비공개 주 : 09년 ~ 11년 HP 노트북리콜의전지팩은중국산으로추정 자료 : Bloomberg(2011.05.11), 당행재작성 전기차용시장을선점하기위한한국과일본의경쟁이재개되며, 전지업체와 완성차메이커의전략적제휴가활발 - 96년 Toyota와 Panasonic은 Primearth EV Energy를, 07년 Nissan과 NEC 는 Automotive Energy Supply를설립 - 09년 LG화학은미국 GM의전기차용중대형리튬전지공급업체로선정된 이후기술을선도중 - 08년 11월삼성SDI는독일자동차부품업체 Bosch와합작하여 SBLiMotive를설립하였고 12년 1월 SK이노베이션도독일부품업체 Continental과제휴하며전기차시장에대비 전지업체-완성차업체협력현황 전지 자동차 합작사 투자 - 13년까지총2조원설비투자 SDI-Bosch 50:50, 5년간 5억불투자 JV 설립예정 JV 설립예정 도요타-파나소닉 60:40 지분투자 닛산 -NEC 51:49 지분투자 자료 : 업계자료 (2012.03) - PHEV F3DM 및 BEV e6 출시 137
산업기술이슈 IT수요위축에의한단기적조정 11년리튬전지공급량은전년대비 9% 증가한 42.6억개규모이고 12년에는 44.9억개로 5% 성장할전망이나, 원통형과각형전지의수요는정체상태 - 노트북및휴대폰용원통형과각형전지의수요는정체상태이나, 제품경량화및대면적화에유리한파우치형전지의수요는주로태블릿PC의성장에의해 30% 이상증가할전망 리튬이온전지용도별수요량추이및전망 ( 단위 : 백만개 ) 용도 2009 2010 2011 2012 비고 노트북 973.6 1,312.4 1,301.9 1,290.7 휴대폰 1,247.0 1,519.0 1,573.0 1,675.0 전동공구 133.1 229.0 330.1 393.6 디지탈카메라 137.9 171.0 193.7 198.0 캠코더 61.1 62.3 59.3 59.4 DMP 90.6 82.1 73.6 65.7 게임기 63.5 73.4 85.2 110.4 기타 ( 전기차등 ) 359.7 465.9 644.5 698.6 합계 3,066.6 3,915.9 4,261.3 4,491.5 원통형 1,213.1 1,639.7 1,739.5 1,757.0 YoY 1% 형각형 1,360.4 1,632.9 1,696.9 1,654.2 YoY -3% 상파우치형 493.1 640.5 824.0 1,080.3 YoY 31% 연평균성장률 -2% 28% 9% 5% 주 : 기종별성장률 YoY(Year to Year) 는 11년대비 12년성장률전망자료 : Institute of Information Technology(2012.02), 당행재작성 전기차용리튬전지시장은유동적 전기차시장이수요를견인하여리튬전지시장이 11 년 12 조원에서 15 년 20~50 조원규모로팽창할것이라는관측이제기되고있으나, 전기차의실제 판매실적은예상치를하회 - 주요해외기관은 09 년부터시간이경과할수록더욱공격적인전기차시장 전망치를제시한반면, 11 년 PHEV 및 BEV 판매실적은예상치의 1/4 수준 138
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 미국 GM은 11년하반기에전기차 Volt의법인판매 ( 렌트카업체및관공서 ) 에집중했으나, 연간실적은 7,630대로판매목표를하회하였으며, 12년 3월부터 5주간 Volt의생산정지를진행중으로 12년 6만대의판매목표달성은불가능 일본 Nissan은 10년 11월전기차 Leaf를출시하며 13년까지 50만대의누적판매를계획했으나, 11년말실적은 2.2만대에불과 조사기관별전기차시장전망 11 년전기차판매실적 자료 : 각사종합 (2011.06) 자료 : AutoObserver.com 전기차는가격대비성능 7) 측면에서소비자의선호도가낮아북미완성차시장에서전기차가비중이있는세그먼트로성장하기에는상당한시간이소요될것 - 미국은연비규제 8) 를통해 GM과 Ford 등이선행기술을확보한전기차시장을육성하여자동차산업의경쟁력회복을시도 7) 4 만불수준의높은판매가격 (1 만불내외의미국, 일본정부보조금제외 ), 1 회충전시 160 km 이내의짧은주행거리, 전지팩의잔존가치불확실성에의한중고차판매가격하락, 충전인프라부족 8) 09 년 10 km/l(25.5 mpg) 에서 16 년 15 km/l 로평균연비 40% 강화. 기준미달에대해서 $5.5/0.1mpg 에생산대수를곱하여과태료부과 139
산업기술이슈 - 미국정부는전기차용리튬전지분야에 24 억불을지원하며, 기초기술위주인 리튬전지산업에서제조기반의확충을도모하였으나, A123 9) 와 Ener1 등 주요업체의성과는매우부진 Ⅲ 리튬이온전지소재기술동향 양극활물질의분류및특성 양극활물질은리튬전지소재비의 35% 를차지하는핵심소재로금속염의구성 성분에따라 LCO, NCM, NCA, LMO 및 LFP 등으로구분 - LCO 는에너지용량과수명특성이양호하여상업화초기부터광범위하게 사용되어왔으나, 07 년부터원가절감과안전성강화를위해 NCM 으로 대체되는추세 NCM 과 NCA 는고가인 LCO 의코발트 (Co) 성분일부를니켈 (Ni), 망간 (Mn) 및알루미늄 (Al) 으로대체한삼원합금물질 NCM 은 IT 용뿐만아니라전기차용중대형리튬전지에도적용되고있는 업계의주력양극활물질 - LMO 와 LFP 는경제성과안전성이우수하여전기차용리튬전지에일부적용중 LMO 는 LCO 대비에너지용량이낮으므로 NCM 과일정한비율로 혼합되어전동공구용및전기차용리튬전지에사용되나, 작동온도가 60 이상으로상승하면전해액에용해되는구조적불안정성이단점 LFP 는원재료가가장저렴하고안전성이우수하나, 순도및전기전도도 개선이필요 9) 미국 MIT 대에서 Spin-off 하여 01 년설립된전지업체. 90 년대중반 Dupont 과 Motorola 등이리튬전지의양산시도중에일본업체의덤핑공세로사업을포기한이후, 미국정부가전략적으로육성한기업. 11 년매출 1.6 억불, 손실 2.4 억불로 Ener1 에이어파산보호신청예상 140
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 리튬이온전지양극활물질종류및특징구분 LCO NCM NCA LMO LFP 분자식 LiCoO2 Li[Ni,Co,Mn]O2 Li[Ni,Co,Al]O2 LiMn2O4 LiFePO4 층상구조층상구조층상구조스피넬구조올리빈구조 구 조 전지용량 145 mah/g 120 mah/g 160 mah/g 100 mah/g 150 mah/g 작동전압 3.7 V 3.6 V 3.6 V 4.0 V 3.2 V 안전성 높음 다소높음 낮음 높음 매우높음 수 명 높음 중간 높음 낮음 높음 난이도 쉬움 다소어려움 어려움 다소어려움 어려움 용 도 소형 소형, 중대형 중형 중대형 중대형 가 격 25~28 $/kg 20~23 $/kg ~21 $/kg 8~9 $/kg ~20 $/kg 국내업체 엘앤에프 엘앤에프에코프로 에코프로 휘닉스소재 한화케미칼 해외업체 Umicore Nichia Umicore Nichia Nichia Toda 자료 : Argonne National Laboratory(2011.10), 당행재작성 Nichia BYD A123 BYD - 일본과한국의선발업체는전기차용양극활물질로 LMO계를개발하고있고, 미국과중국의후발업체는 LFP에집중하는양상 LFP는전기전도도를개선하기위해분말표면에탄소층을코팅하는공정이추가되므로완제품의판매가격은 NCA 수준 141
산업기술이슈 음극활물질의분류및특성음극활물질은인조흑연계, 천연흑연계, 저결정성탄소계및금속계등으로구분 - 탄소재료는열처리온도에따라고결정성탄소와저결정성탄소로분류하며, 인조흑연 10) 은 2,500 이상의고열을가해서흑연의고결정구조를만들기때문에천연흑연 11) 보다조직이안정적이고수명이 2~3배정도우수함 저결정성탄소는소프트카본 12) 과하드카본 13) 으로구성되며, 결정구조가안정화되어있지않기때문에수명은짧으나리튬이온의출입이빨라고속방전에유리한특성을지님 - 리튬전지의판매가격하락이지속되자고가의인조흑연에저렴한천연흑연을혼합하여사용하는추세이나, 전기차용에서는성능향상이유리한인조흑연의사용이확대될것임 - 전통적인탄소산업강국으로열처리기술이우수한일본과광물자원이풍부한중국이각각인조흑연과천연흑연시장을주도 10) 인조흑연 : 코크스 ( 석탄을건류하여만들어진탄소질의고체연료 ) 가루와결합제를혼합한후, 소성하여완전히탄화한것을다시전기로에서 2,500~3,000 로가열하여제조 11) 천연흑연 : 천연흑연은초기충전효율이낮아리튬전지의상업화초기에는대부분인조흑연이사용되었으나, 표면처리를통해천연흑연의초기충전효율이 90% 수준으로향상된후에는저렴한천연흑연의사용이지속적으로확대 12) 소프트카본 (Soft Carbon): 작은흑연결정들이질서정연하게모여있어서 1,800~2,000 열처리에의해흑연화가되기쉬운탄소재료로기계적으로연함 13) 하드카본 (Hard Carbon): 작은흑연결정들이무질서하게모여있어서더이상의흑연화및층상구조가되기어려운탄소재료 142
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 음극활물질종류및특징 구분인조흑연천연흑연저결정탄소금속 구조 용량 * 280~360 360~370 235~315 700~1,000 표면적 ** 1 이하 3~8 2~5 - 수명 높음 낮음 중간 매우낮음 가격 > 15 $/kg 10 $/kg 12 $/kg > 60 $/kg 국내업체 포스코켐텍 애경유화 GS칼텍스 - 해외업체 Shanghai 히타치화학 Nippon Carbon 3M Shanshan JFE Chemical JFE Chemical Mitsui BTR Energy 주 : * 용량 (mah/g), ** 표면적 (m 2 /g) 자료 : Argonne National Laboratory(2011.10), 당행재작성 분리막의분류및특성다공성폴리에틸렌 (PE) 및폴리프로필렌 (PP) 필름인분리막은제조공정에따라습식과건식으로구분되며, 표면에무기물을코팅하여안전성을향상시킨강화막이등장 - 습식막은분리막의성형과정에서첨가한가소제 14) 를유기용매로추출할때발생한기공을연신하여확장한것으로강도, 탄성및두께 기공균일도등이우수 - 건식법은압출필름을저온에서연신하여결정계면에서미세균열을발생시키는방식이며, PP/PE/PP 의삼층 (Tri-layer) 구조를주로저가격 고출력용에사용 - 강화막은폴리올레핀수지의기계적 열적특성을보완하고자다공성고분자막의표면에세라믹입자층을형성시켜고온에서도분리막의기계적수축을방지한제품 14) 플라스틱의가공성을개량하기위한첨가제로, 분리막의경우파라핀오일등을사용 143
산업기술이슈 분리막의종류및특징 구분건식막습식막강화막 구조 수지 폴리프로플렌폴리에틸렌 폴리에틸렌 폴리프로필렌폴리에틸렌 두께 10 ~ 25 μm 10 ~ 25 μm 15 ~ 25 μm 연신 일축 (Uni-axial) 이축 (Bi-axial) - 가격 1.0 $/m2 1.3 $/m2 1.5 $/m2 국내업체 씨에스텍 SK이노베이션 LG화학 해외업체 Polypore Ube Industries Asahi Kasei Toray Tonen Evonik Degussa Asahi Kasei 주 : 연신 (Elongation) 은필름을잡아늘리는공정자료 : Deutsche Bank(2011.01), 당행재작성 전해액의분류및특성리튬이온전지전해액은유전율 15) 점도 16) 가높은고리형카보네이트 (Cyclic Carbonate) 계와유전율 점도가낮은사슬형카보네이트 (Chain Carbonate) 계가혼합된공용매에전해질인리튬염을일정농도로용해하여제조 - 기본용매는유전율이높아리튬염을녹여양이온과음이온을쉽게분리 ( 해리 ) 시킬수있으나, 점도가높아전해액내에서리튬양이온의빠른이동에불리 - 점성이낮은보조용매를기본용매에첨가하여전지업체의요구사양에따라물리화학적특성을제어 15) 단위부피내에저장되는정전에너지의양을말하며액체의경우극성을나타내는척도 16) 점성의크기를나타내는양을말하며점도가낮을수록이동속도가빨라짐 144
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 유기용매의종류및특성 구분기본용매보조용매 용매 분자량 (MW) 융점 (T m)/ 비점 (T b)/ 점도 (ƞ) 유전율 (Ɛ) EC 88 36.4 248 1.90 89.8 PC 102-48.8 242 2.53 64.9 DMC 90 4.6 91 0.59 3.1 DEC 118-74.3 126 0.75 2.8 EMC 104-53 110 0.65 3.0 주 : EC(Ethylene Carbonate), PC(Propylene Carbonate), DMC(Dimethyl Carbonate), DEC(Dimethyl Carbonate, EMC(Ethylmethyl Carbonate) 자료 : 전자부품연구원 (2011.02) 다양항종류의리튬염중에서간단한구조를가진 LiF나 LiCl 등은상업적으로적용되지않고, 음이온의크기가크고이온전도도가우수한 LiPF6를상업용전해액의산업표준으로사용 - 리튬염은이온결합을이루고있기때문에유전상수가큰물에는쉽게녹지만유기용매에서는용해도가급격히저하 - 음이온의사이즈가큰경우에음이온의이동도가감소하므로전지의반응에필수적인리튬양이온의이동도가향상 - 업계에서는요구특성에가장적합한 LiPF6 를상업용전해액의산업표준으로이용 - 국내전해액업체는일본 Stella Chemifa, Kanto Denka 및 Morita Chemical 에서 LiPF6를공급받아왔으나 09년후성에의해국산화완료 종류 분자량 (MW) 리튬염의종류및특성 녹는점 ( ) 분해온도 ( ) 이온전도도 (ms/cm) in PC in EC/DMC LiPF6 151.9 200 80 5.8 10.7 LiBF4 93.9 293 100 3.4 4.9 LiAsF6 195.9 340 100 5.7 11.1 LiClO4 106.4 236 100 5.6 8.4 LiCF3SO3 155.9 300 100 1.7 - 자료 : 전자부품연구원 (2011.02) 145
산업기술이슈 전해액에는전지의수명향상과안정성확보를위해다양한종류의유기첨가제가사용 - 최초충전시에음극에서전해액이분해되기이전에첨가제인 Vinylene carbonate 및 Propane sultone 등이먼저반응하므로전지의수명이향상 - 리튬전지의과충전시발화를억제하는첨가제로는 Biphenyl, Cyclohexyl benzene, 2,4-Difluoroanisole 등을사용 4.5V 이상의과전압에서첨가제가먼저분해된후분리막의기공을막아리튬이온의이동을차단하면리튬전지의기능이정지 전지소재기술로드맵리튬전지제조사는 95년 ~ 06년 70% 의급격한가격하락시기에에너지용량을연평균 10% 증가시켜공급가격을유지해왔으나, 기존소재에의한고용량화는실질적인한계에도달 에너지밀도및판매가격추이 전지용량별출하량추이 자료 : 삼성 SDI(2012.02), 당행재작성 146
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 06년이후에는차별적인혁신소재기술의적용이전지사업의경쟁력을결정 - 상위업체의리튬전지조립기술이평준화된이후에는사업의핵심과제인고용량화, 저가격화및대형화는양극과음극활물질등소재의패러다임변화에의존 리튬이온전지기술로드맵 자료 : 에코프로 (2011.06) 차세대전극재료는리튬전지의중대형화에도대응할수있는소재이며, 양극 활물질로는리튬과잉 17) NCM 및망간계고용체 18), 음극활물질로는비흑연계 금속재료가개발중 17) Li(NixCoyMnz]O 2 의개발방향은 Ni, Co, Mn 금속 (M) 의조성에대해리튬을과도핑 (Over Doping) 하여 1 이상의 Li/M 비율을유지하므로써고속충방전을구현하는것과 Co 의함량을최소화하여 (x:y:z= 1/3:1/3:1/3 에서 5:2:3 또는 5:0:5 로 Co 함량축소 ) 원가절감추구 18) 고용체 : 두가지이상의원소나화합물이섞이는경우평형상태에서하나의상을이루는고체. 망간계고용체는 Li 2 MnO 3 와 LiMO 2 가복합화된신규소재 147
산업기술이슈 리튬전지용전극재료기술로드맵 자료 : 전자부품연구원 (2011.04) 흑연계음극활물질의에너지용량이이론적인한계치에도달한상태이므로 실리콘과주석등의금속계고용량신규소재를개발중 실리콘및다공성실리콘구조 실리콘음극 1회방전후형상다공성구조개선자료 : Rice University(2011.10) - 금속계음극활물질은충 방전동안심한부피팽창이발생하여전극이집전체에서이탈하며초기효율이저하되는것이단점이나, 다공성실리콘은부피변화를구조적으로흡수 다공성실리콘개발은미국 Stanford대및 Rice대와일본 Saga대가미국 Lockheed Martin 및 3M, 일본 Mitsui 및 Toshiba 와협력중인유망한분야 다공성실리콘계소재는수명특성이미흡하여흑연계음극활물질에 3~5% 혼합되는첨가물로이용중 148
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 분리막기술은강화막위주로개발되고있으며, 다공성막으로부직포를사용하여기계적강도를높이거나, 표면코팅재로실리카 (SiO2) 등을이용하는방향으로전개 - 리튬전지의안전성을강화하기위해분리막수지의내열성 19) 개선과유 무기복합화를통한치수안정성강화필요 - 다공성분리막표면에알루미나 (Al2O3) 대신 SiO2나 BaTiO3등을사용하는기술이개발중이며, 독일 Evonik Degussa는다공성막으로부직포를활용한제품 (Separion ) 을상업화 - Asahi Kasei는폴리에틸렌수지와세라믹의하이브리드화, Panasonic은세라믹을전극판에코팅한구조개발 실리카표면코팅강화막 부직포강화막 자료 : 강원대 (2011.06) 자료 : Corporate.evonik.com 19) 분리막은전지가 130~140 까지발열하면, 국부적인용융으로기공이닫혀이온전달이차단되는 Shut-Down 기능이있으나, 150 이상에서는완전히용융 (Melt-Down) 되어분리막의기능 ( 음극과양극의전기적절연 ) 상실. SD 는낮을수록, MD 는높을수록유리 149
산업기술이슈 Ⅳ 리튬이온전지소재시장동향 전지소재시장동향리튬이온전지소재시장은일본의시장지배력이약화되고한국및중국의점유율이상승 - 리튬이온전지제조원가중소재비는 45~50% 이며, 소재비중양극 음극 분리막 전해액 4대핵심소재의비중은 72% 이상 - 양극재는벨기에 Umicore와일본 Nichia가주도하고있으나, 고부가가치인양극재시장에신규업체진입이가장활발 - 음극재는일본의 3대선도기업 (Hitachi Chemical, Nippon Carbon 및 JFE Chemical) 의점유율이축소되고풍부한자원을확보한중국 BTR Energy 의비중이확대되는추세 - 분리막은기술력을요구하므로 5대업체점유율이 86% 이나, 전해액은진입장벽이낮아중국업체가난립하는상황 리튬전지소재업체및점유율현황양극활물질음극활물질분리막전해액원가구성 2.7조원 0.6조원 0.8조원 0.4조원주 : 1 벨기에, 2 일본, 3 중국, 4 미국, 시장규모는 11년기준자료 : Roland Berger(2011.08), Bloomberg(2011.12) 150
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 양극활물질리튬전지양극활물질수요는 11년 4.9만톤에서연평균 18% 증가하여 15년 8.9만톤에도달할전망이며, 시장규모는 11년 3.2조원에서 15년 6.1조원으로성장이예상 - 국내외주요시장조사기관은경제성이우수한양극활물질을선호하는중대형리튬전지시장의성장에의해 LMO 수요가연평균 50% 이상증가할것으로예상 양극활물질공급현황및전망 자료 : Solar & Energy(2011.04), 당행재작성 기존업체가전기차용리튬이온전지의수요에대비하여공격적으로증설을진행중이고글로벌화학업체의시장진입도증가하고있어전기차수요가지연될경우공급과잉심화예상 - 13년양극활물질세계시장수요는 6.5만톤이나, 국내업체의공급능력 4만톤과일본과중국의생산능력 6.5만톤을감안하면공급과잉상태 151
산업기술이슈 - 주요 NCM 생산업체는원가절감을위해반제품인전구체 (Precursor) 도자 체생산체제로전환중 국내 해외 구분 기존 신규 기존 ( 일본 ) 기존 ( 중국 ) 신규 업체명 국내양극활물질제조사현황 생산능력 ( 톤 / 년 ) 설비 (Line) 증설현황 한국유미코아 7,200 9 11년 3월 4 Lines 엘앤에프 9,600 16 3 Lines ( 미확정 ) 에코프로 4,800 4 10년 10월 3,600톤 / 년 삼성SDI 6,000 7 11년 3월 3 Lines LG화학 4,800 6 14년 2,500톤 / 년 대정이엠 1,200 1 포스코 1,200 2 샘플단계 일진머티리얼즈 600 1 샘플단계 한화케미칼 - - 삼성정밀화학 2,400 4 SK이노베이션 - - 코스모신소재 12,00 - 소계 39,000 Umicore 8,000 - Nichia 15,000 - Toda Kogyo 5,000-13년미국 4,000톤 / 년 Tanaka Chem. 6,000-12년일본 5,000톤 / 년 Nippon Denko 6,000 - Mitsubishi Chem 2,200-15년 15,000톤 / 년 기타 3,000 - Beijing Easpring 6,000 - Hunan Reshine 6,000 - Shanghai Shanshan 4,000 - 기타 4,000-3M - - BASF - - Dupont - - 소계 65,200 주 : 삼성SDI와 LG화학은자체수요를위한 In-house 생산자료 : 각사IR자료 (2012.03) 152
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 음극활물질 12년음극활물질수요는전년대비 18% 증가한 3.1만톤으로 6천억원규모의시장이며, 원가경쟁력이우수한중국업체가약진중 - Hitachi Chemical, Nippon Carbon 및 JFE Chemical 등 3대선도기업들의점유율이 10년 70% 에서 11년 50% 로축소되는양상 - 저가의천연흑연수요증가에의해원재료조달에강점이있는 BTR New Energy 및 Shanghai Shanshan 등중국업체점유율이상승하는추세 음극활물질생산현황및주요업체별시장점유율 자료 : Institute of Information Technology(2011.09) 15 년음극활물질시장은 7 만톤, 1.5 조원규모로확대될것이고, 20 년까지 수요의 95% 이상은탄소계재료에의존할전망 153
산업기술이슈 음극활물질소재별시장점유율 자료 : 미래에셋 (2011.08) - 전기차의급속충전에적합한적합한저결정성 (Soft Carbon) 탄소가천연흑연의수요일부를잠식할것으로예상 - 중대형리튬전지에서는음극활물질의재료비비중이양극활물질의 50% 수준까지증가 - 실리콘및주석등의금속계음극활물질은군사용과같은고성능의특수용도에적용이가능할것이나, 휴대기기및전기차와같은소비자시장에적용하기에는한계 분리막 11년분리막수요는 4.5억m 2 이고, 12년시장규모는전년대비 30% 성장한 1.1조원규모로전망 - 삼성SDI, LG화학, Sanyo 및 Sony 등의전지업체는고속의자동화된전지조립라인을운영하므로강도가우수한습식막을사용하나, 수작업의존도가높은중국의중소업체는주로저강도 저가격인미국 Polypore 건식막 20) 의존 20) LG 화학의건식막수요는주로세라믹코팅을실시하는중대형리튬전지용안전성강화분리막에해당 154
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 - 후발업체인 SK 이노베이션이 10 년말 1 억 m 2 / 년에서 12 년 2 억 m 2 / 년으로공 격적인증설을진행중이며, LG 화학과제일모직도분리막사업을추진중 주요제조사별분리막공급현황 ( 단위 : 백만m 2 ) 제조사 SDI LGC Sanyo Sony Pana Maxell BYD Lishen 기타 합계 Asahi 15.0 8.0 47.0 4.0 1.0 2.0 0.5-21.5 99.0 Polypore 0.1 9.0 - - 10.0-6.0 18.0 55.1 98.2 Tonen 58.0 12.0-18.0-1.0-3.0 12.5 75.5 SK이노베이션 30.0 33.0-5.0 - - - - 6.0 74.0 Ube - - 6.0-1.0 2.5 1.0-31.0 41.5 기타 - - - - 5.0-9.0-74.0 66.5 합계 73.1 62.0 53.0 27.0 17.0 5.5 16.5 21.0 178.6 453.7 자료 : Institute of Information Technology(2011.12), 당행재작성 전해액 11년전해액수요는 2.2만톤이고, 12년시장규모는전년대비 10% 성장한 0.45조원규모로전망 - 4대핵심소재중기술적인난이도가가장낮은품목으로원가경쟁력이우수한 Zhangjiagang Guotai-Huarong 등중국업체의성장세가뚜렷 - LG화학과 BYD는전기차용중대형제품에사용되는전해액을자체생산중 - 국내에서는파낙스이텍과솔브레인 21) 이전해액을공급중이고, 후성은전해액용리튬염 (LiPF6) 을생산 21) 11 년 10 월테크노세미켐에서사명변경 155
산업기술이슈 주요제조사별전해액공급현황 ( 단위 : 톤 ) 제조사 SDI LGC Sanyo Sony Pana Maxell BYD Lishen 기타 합계 파낙스이텍 2,400 800 - - - - - 500 300 4,000 Ube - - 1,600-150 300 - - 50 2,100 Mitsubishi - 1,200 1,700 600 800 - - - 1,100 5,400 Tomiyama - - - 300-50 - - 200 550 Mitsui - - - - - - - - 160 160 Kishida - - 50 - - - - - 35 85 Guotai-Huarong 1,000 - - 500 - - - 200 2,450 4,150 China Others 700 1,000 - - - - - 100 2600 4,400 In-house - 500 - - - - 550 110 1,160 합계 4,100 3,500 3,350 1,400 950 350 550 800 7,005 22,045 주 : In-house는전지업체자체생산물량 자료 : Institute of Information Technology(2011.12), 당행재작성 Ⅴ 시사점 리튬전지소재사업기술적진입장벽약화리튬전지핵심소재중양극활물질의기술적진입장벽이약화되자국내외글로벌업체의시장참여가증가 - 신규업체는기초기술이우수한북미의연구기관및글로벌기업으로부터기술이전을통해서부가가치가가장높은양극활물질시장에빠르게진입 156
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 리튬전지소재사업진입장벽분석 구분 양극활물질 음극활물질 분리막 전해액 자본력 / 투자비 제품 Know-how 생산 Know-how 고객사관계 원료물질확보 해외주요신규업체 3M BASF Sumitomo 주 : Very high Medium Low 자료 : Roland Berger(2011.08), 당행재작성 Timcal Mitsubishi Mitsui Idemitsu Idemitsu Central Glass 양극활물질기술이전사례 구분 NCM LFP Li-rich/Mn-Rich 원천 Dalhousie대 Texas대 MIT대 Argonne National Lab 실시권보유 기술이전업체 주 : LG화학은독일 Süd-Chemie 와합작사설립예정자료 : 업계자료 (2012.03) 리튬전지소재사업경쟁심화전기차에기반한리튬전지시장의성장성을낙관하고국내대기업계열사가리튬전지소재시장에경쟁적으로진입 - 삼성정밀화학, 한화케미칼, SK이노베이션, GS칼텍스및포스코등의신규진입으로양극활물질은국내시장에서대기업품목으로전환중이며, 원가경쟁이심화될것임 삼성정밀화학은일본 Toda와합작, GS칼텍스와포스코는각각대정이 157
산업기술이슈 엠과휘닉스소재에대한지분투자및인수로사업착수 - GS칼텍스, 포스코켐텍및애경유화가기존사업의부산물을활용하여음극재사업에착수핵심소재의원천기술에대한특허분쟁도심화되는추세이며, 특히전지업체는양극활물질에대해검증된기술플랫폼을선호 리튬전지소재기술주요특허분쟁사례 구분제소기관대상기관시기결과 양극재 (LFP) 양극재 (NCM) 분리막 미국 Valence 05년 7월 Texas대패소 Texas대 미국 MIT대 06년 4월 Cross-licence 일본 NTT 08년 10월 3천만불배상 Sanyo 07년 3월 라이센스합의 3M Sony 07년 3월 라이센스합의 Panasoic 07년 3월 라이센스합의 Toray Tonen SK이노베이션 06년 3월 Toray 패소 LG화학 SK이노베이션 11년 12월 진행 주 : MIT대 LFP 기술은미국 A123에의해상업화자료 : http://en.wikipedia.org 양극활물질공급과잉리스크국내대기업뿐만아니라독일 BASF 및미국 3M 등의글로벌소재업체가양극활물질시장에빠르게진입하고있어, 향후태양광산업의폴리실리콘시장과같은공급과잉이예상 - 음극활물질은국산화노력이미흡했던분야에서업체별로상이한흑연계소재를생산할예정이므로공급안정화에기여할것 - SK이노베이션과 LG화학의분리막사업은전지사업을위한핵심소재의수직계열화차원 13년 12.6만대의전기차 (PHEV 및 BEV) 가판매될경우에도전기차용양극과음극활물질의소요량은각각 3.1천톤과 1.7천톤에불과하여, 신규업체의수익성악화가예상 158
리튬이온전지소재기술동향분석및전망 - 전기차수요지연으로국내일부업체의해외생산기지증설은유보되고있으며, 미국 A123는인력감원과함께전기차양산이지연되고있는미국 Fisker에대한지분투자회수중 - 국내주요전지업체는원가절감을위해 Beijing Easpring, Hunan Reshine 및 Shanghai Shanshan 등이생산하는중국산양극활물질의적용비중을높이고있어치열한원가경쟁에직면할것 - 전지업체는연평균 5~10% 의공급가격인하분을소재업체에전가하고있으므로신규업체는공격적목표원가설정이필요 구분 BEV PHEV HEV 모델 전기차용양극및음극활물질소요량추정 생산량 ( 대 ) 전지팩양극활물질음극활물질 kwh 전지수 kg/ 대톤 / 년 kg/ 대톤 / 년 Nissan Leaf 40,000 24.1 192 55.3 2,211 31 1.220 Mitsubishi imiev 6,000 16.5 88 40.0 240 21 127 Mitsubishi MiniCab 1,000 10.6 220 35.2 35 35 35 Ford C-Max E 500 16.0 216 29.8 15 21 10 GM Volt 10,000 16.2 288 36.0 360 21 208 Renault Twizy 3,000 7.7 48 17.2 52 10 30 Honda Civic 3,000 0.7 40 1.3 4 1 3 Toyota Prius α 11,000 1.0 56 1.6 17 1 15 Ford C-Max H 1,000 1.4 80 2.8 3 2 2 Audi Q5 1,000 1.3 72 2.5 2 2 2 Hyundai Sonata 50,000 1.4 70 3.4 169 2 89 합계 126,500 - - - 3,107-1,740 자료 : Institute of Information Technology(2011.12), 당행재작성 양극활물질사업은수요처인전지업체와의전략적제휴및원자재 ( 광물자원및전구체 ) 확보여부가사업성을결정 - 신사업발굴을위해다수의국내중소기업및자동차부품업체등이양극활물질신규투자를검토중이나, Captive Market을확보하지못한경우에는자본력을보유한대기업의신규사업도높은리스크를내포 159