메인으로

<2022> 리튬 이온 이차전지 양극재 기술동향 및 시장 전망 (~2030)

최근 이차전지 시장은 소형 IT용 Application 시장에서 ESS, EV 시장으로 시장을 확대해 나가고 있으며 이차전지 양극재 시장 역시 이에 맞추어 수요가 증가할 것으로 전망되고 있다.

리튬이온 2차전지는 1985년경 일본의 Akira Yoshino에 의해 발명되어 1991년 SONY社에 의해 상용화된다. 이때 SONY가 사용한 양극재(Cathode Material)가 리튬코발트산화물(LiCoO2;이하 LCO로 약칭)이다. 리튬이온 2차전지에서 양극재로서의 LCO 물질은 3.7V의 공칭전압을 가지고 있으며, 가역적으로 리튬의 삽입과 탈리가 이루어지는 물질로 합성이 용이하고, 수명특성도 비교적 좋아서 지금까지도 가장 많이 사용되고 있는 물질이다. 그런데 이 LCO의 문제점들이 부각되기 시작했다. 문제점은 크게 두 가지로 한정된 매장량을 가진 Co가 주성인 LCO는 매우 비싸다는 것이다. 또 하나의 문제점은 재료의 성능에 관한 것으로서 충전말기에 LCO 구조적 불안정성으로 인하여 전지용량이 150mAh/g 로 이론 용량의 절반 정도 밖에는 이르지 못한다는 점이다. 이 때문에

자동차 및 전력저장용 중대형 전지에서는 LCO 양극재를 사용하기 어렵고 불리한 조건이 된다.

이에 따라 이점을 개선한 양극재가 리튬니켈코발트알루미늄산화물 (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2; 이하 NCA로 명칭)이다. 그리고 새롭게 개발된 양극재가 리튬니켈코발트망간산화물(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2;이하 NCM으로 명칭)로 3M社가 발명하여 NCM111특허를 보유하고 있는 물질이다. LG화학은 NCM을 이루는 조성들을 일부 조정한 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM 523)물질을 개발하기도 하였다. 최근에는 NCM622, NCM811 등 High Ni계 양극재가 많이 연구되고 있다.

또한 구조적으로 스핀넬 구조(Spinel Structure)를 지니는 리튬망간산화물(LiMn2O4;이하 LMO로 명칭)이 있는데 용량은 100mAh/g으로 LCO보다 낮지만 출력특성이 좋고 안전성이 우수하고, 무엇보다도 싼 가격을 무기로 Low-end 제품에 적용되거나 전기차용 양극재에 일부 blendin하여 들어가고 있다.

마지막으로 올리빈 구조(Olivin Structure)를 지니는 리튬인산철산화물(LiFePO4;이하 FPO로 명칭)이 있는데, 구조적 안전성을 높으나 방전 전압이 3.5V 정도로 상대적으로 낮으므로 Fe를 Mn이나 Ni 등으로 치환한 고전압 올리빈 양극재가 한창 연구 중에 있다.

리튬이온 2차전지의 4대 부품(양극, 음극, 전해질, 분리막) 중 양극을 형성하고 있는 양극재의 경우 전체 리튬이온 2차전지 cost의 약 30~40%를 차지할 정도로 그 비중이 크기 때문에 Cost가 가장 중요한 요소로 생각되는 대형 리튬이온 2차전지의 상용화를 위해서는 양극재의 성능 개선과 동시에 저가격화는 필수불가결한 요소라 할 수 있다.

2022년 전세계 LIB용 양극재는 총 1,522,270톤이 사용되었다. 중국업체가 59.8%로 911,010톤, 한국업체가 31.6%로 480,730톤, 일본업체가 8.1%로 123,470톤의 양극재를 판매하였다.

양극재 소재별로는 NCM이 44.9% 683,760톤으로 가장 많고, LFP가 30.6% 466,430톤으로 그 다음을, NCA가 10.6% 160,910톤이고, LCO는 8.5% 130,140톤, LMO는 5.3%로 81.030톤이 사용되었다.

리튬 이차전지 양극 소재의 2022년 글로벌 출하량을 보면 삼원계 양극재는 Ecopro(韓), Umicore, XTC (中), LGC(韓), Ronbay(中), SMM(日), Nichia (日), L&F (韓), ShanShan (中), CyLiCo(中)순이다.

LFP 양극재는 중국이 강세를 보이고 있으며 Hunan Yuneng(中), Dynanonic(中), Guoxuan(中), BTR(中), Lopal(中), Pulead(中), Wanrun(中), Anda(中), Terui(中) 순이다.

10위 안에는 Umicore 포함 한국이 3개 업체, 일본이 2개 업체이고, 5개의 중국업체가 있으며, 20위 안에는 대부분 중국 업체들이 괄목한 성장을 보여주고 있다.

이처럼 전세계 양극재 시장은 한중일 3국이 시장을 주도하고 있으며, 중국 업체들이 내수시장을 기반으로 중국 메이저 배터리 메이커의 성장과 함께 공급 물량을 늘려가며 절대 강자로 부상하였고, 일본 업체들은 전구체의 앞선 기술력을 바탕으로 중국의 공세에 대응하고 있다. 한국의 양극 소재 업체들은 중국 업체와의 가격경쟁에 맞서야 하고, 일본 업체와의 양극재, 전구체 기술경쟁을 치열하게 해야되는 상황이다.

앞으로 양극재 시장은 글로벌 전기차 시장에서 LIB의 큰 폭의 성장과 함께 한중일 삼국의 소재업체의 치열한 경쟁 양상이 될 것으로 전망된다.

이번 리포트에서는 여러 가지 타입별들의 양극재에 관한 기술동향을 기술하였는데, 특히 Ni rich NCM을 중심으로 한 최신 양극소재 기술 개발동향과 Cobalt free 양극재 기술 및 단입자 양극재 기술 개발동향도 논하였다. 

또한 양극재를 구성하는 전구체와 광물시장에 대하여도 다루었다. 양극재 조사업체는 한국이 9개, 일본이 약 5개, 중국이 15개 업체 이다.

시장 부분은 최근 5개년 동안의 수요자 측면에서의 동향과 공급자 측면에서의 동향을 국가별, 기업별, 음극재 타입별로 업계 SCM을 분석하였다. 또한 IT 및 xEV, ESS 시장을 배경으로 2030년까지의 양극재 종류별 시장 전망 및 가격 전망을 하였다.  

- 최근 관심이 높은 Cobalt free 및 단입자 양극재에 대한 기술 동향을 알 수 있다.

- 양극재 뿐 아니라 광물시장에 대한 시장과 업체 정보를 알 수 있다.

- 리튬이차전지 양극재 시장의 생산업체별, 셀업체별 수요 및 캐파증설계획, 가격을 알 수 있다.

- 2018년부터 2022년까지 최근5개년의 양극재 업계의 사용흐름 변화를 상세히 알 수 있다

- Contents –

1.    서 론

1.1   양극재 개발 현황

1.2   양극재 설계 기준

1.2.1      이온 결합성과 공유 결합성

1.2.2      Mott-Hubbard 형과 전하이동형

1.2.3      3d 전이금속 산화물에서 전하 이동 반응의 개념

1.2.4      고상내의 확산과 2상 공존 반응의 개념

1.3 양극재에 요구되는 특성

2.    양극재 종류

2.1   Layered 계 화합물

2.1.1      LiCoO2

2.1.2      LiNiO2

2.1.3      LiMO2 (M = Fe, Mn)

2.1.4      Ni-Mn계

2.1.5      Ni-Co-Mn 3성분계

2.1.6      리튬 과량 화합물

2.2   Spinel 계 화합물

2.2.1      LiMn2O4

2.2.2      LiMxMn2-xO4

2.3   Olivine 계 화합물

2.3.1      LiFePO4 ·

2.3.2      LiMPO4 (M = Mn, Co, Ni)

2.3.3      CTP (Cell-to-Pack) Technology

2.4   Low cost electrode materials

2.4.1 NMX: Co-free 양극 물질materials

3.    기타 양극재

3.1 Fluoride 계 화합물

Chapter Ⅱ. Ni-Rich NCM 기술

1.    서론

2.    Ni-Rich NCM의 문제점

2.1   양이온 혼합 (Cation mixing)

2.2   H2-H3 상변화

2.3   잔류 리튬 화합물 (Residual lithium compounds)

3.    Ni-Rich NCM의 해결방법

3.1   Transition metal doping

3.2   Surface modification

3.3   Concentration gradient structure

3.4   Single crystal approach: 단입자를 통한 장기 수명 특성 확보

Chapter Ⅲ. 양극재 제조 공정

1.    양극재 제조 공정

1.1   Mixing

1.2   Calcination

1.3   Crushing

1.4   Sieving

1.5   Magnetic separation

2.    전구체 제조 공정

2.1   Ni계 제조 flow/LFP 제조 flow

2.2   Reactor/Reactor 이후의 공정

3.    양극재 특성 평가

3.1   화학 조성 분석

3.2   비표면적 측정

3.3   입도 측정

3.4   탭 밀도 측정

3.5   수분량 측정

3.6   잔존 탄산리튬 측정

3.7   열분석

3.8   입자 강도

4.    양극 기판 제조 공정

Chapter Ⅳ. 양극재 업체별 동향

1.    한국 양극재 업체

1.1  L&F

1.2  Umicore Korea

1.3  Ecopro BM

1.4  Cosmo AM&T

1.5  Posco Chemical

1.6  SM Lab

1.7  Top materials

1.8  LG Chem

1.9  SDI (STM)

2.    일본 양극재 업체

2.1  Nichia

2.2  Sumitomo Metal Mining

2.3  Toda Kogyo

2.4  Mitsui Kinzoku

2.5  Nippon Denko

3.    중국 양극재 업체

3.1  Reshine

3.2  Shanshan

3.3  Easpring

3.4  B&M

3.5  Pulead

3.6  XTC

3.7  ZEC

3.8  CY Lico

3.9  Ronbay

3.10 Dynanonic·

3.11 Guoxuan(Gotion)

3.12 Hunan Yuneng

3.13 Hubei Wanrun

3.14 Chongqing Terui

3.15 Anda

4.    기타 양극재 업체

Chapter Ⅴ. 전세계 LIB 시장 전망 (~2030)

1.    전세계 글로벌 LIB 시장 전망

2.    전세계 소형 IT용 LIB 시장 전망

3.    전세계 중형 EV용 LIB 시장 전망

4.    전세계 대형 ESS용 LIB 시장 전망

Chapter  Ⅵ. 양극재 시장 동향 및 전망

1.    양극재 시장 수요

1.1     국가별 양극재 수요 현황

1.2     소재별 양극재 수요 현황

1.3     양극재 생산 업체별 시장 현황

1.4     LIB 업체별  양극재 수요 현황

1.4.1      삼성SDI의 양극재 사용현황

1.4.2      LGES의 양극재 사용현황

1.4.3      Skon의 양극재 사용현황

1.4.4      Panasonic의 양극재 사용현황

1.4.5      CATL의 양극재 사용현황

1.4.6      ATL의 양극재 사용현황

1.4.7      BYD의 양극재 사용현황

1.4.8      Lishen의 양극재 사용현황

1.4.9      Guoxuan의 양극재 사용현황

1.4.10   AESC의 양극재 사용현황

1.5     양극재 생산 케파 현황

1.6     양극재 소재별 수급 전망

1.7     양극재 가격 동향

1.7.1      양극재 가격 구조

1.7.2      양극재 타입별 가격 동향

1.7.3      광물 시장 동향

1.7.3.1  Nickel

1.7.3.2  Cobalt

1.7.3.3  Manganese

1.7.3.4  Lithium

Chapter. Ⅶ.  INDEX