<2024> 리튬 이온 이차전지 양극재 기술동향 및 시장 전망
리튬이온 이차전지 시장은 소형 IT용 Application 시장에서 EV, ESS 시장 중심으로 크게 확대되고 있으며, 특히 EV 전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리 수요가 급격히 늘어나며, 여기에 탑재되는 양극재 시장 역시 이에 맞추어 수요가 증가할 것으로 전망되고 있다.
리튬이온 이차전지에서 리튬을 공급하는 역할을 하는 핵심소재인 양극재로는 층상구조의 LiCoO2 (LCO), Li(Ni1-x+yCoxMny)O2 (NCM), Li(Ni1-x+yCoxAly)O2 (NCA) 그리고 spinel 구조의 LiMn2O4 (LMO) 등이 있으며, 중국 전기차 시장 성장을 바탕으로 리튬인산철(LiFePO4, LFP) 양극재가 최근 급격하게 증가하며 업계의 관심을 받고 있다.
LCO는 물성 및 전기화학특성이 우수하고 부피당 에너지 용량이 크기 때문에 mobile IT 분야 양극재로 많이 사용되나 비싼 코발트 사용이 단점으로 지적되며, LMO는 가격적 장점과 열적 안정성이 우수한 특성이 있으나, 가역 용량이 작고, 고온에서 수명 특성이 나쁘다는 단점을 가지고 있다.
NCM은 높은 방전 용량의 구현이 가능하고 가역 용량은 Ni 함량이 80% 이상을 넘어서는 경우 약 200 mAh/g에 근접하여, 한국 등의 양극재 업계에서는 고용량 전지를 개발하기 위하여 이러한 Ni계 양극 활물질에 대한 연구가 10여년 간 활발하게 진행되었으며, NCMA 등의 형태로도 개선되며 양극재 시장의 주류로 자리잡았다.
LFP는 저가인 철 사용으로 가격 면에서도 우위에 있으며, 최근 코발트, 니켈 등의 삼원계용 원자재의 가격 폭등으로 이러한 가격적인 장점은 더 커지고 있다. 최근 망간을 혼합한 LMFP 배터리는 이런 한계를 극복할 수 있는 신기술로 주목받고 있다. CATL과 BYD, 궈시안 등 중국 업체들도 유사한 기술을 적용한 LMFP 기반 배터리를 개발해 상용화 단계에 들어섰다.
중국에서 판매된 LFP 배터리 탑재 전기차의 비중은 2020년 9월 이후 NCM(니켈·코발트·망간) 혹은 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등 삼원계 배터리의 비중을 뛰어넘었다. 전기차에서 탑재되는 LFP 배터리의 비중도 2020년 17%에서 2021년 27%, 2022년 36%까지 증가하였다. 현재 LFP배터리의 대부분은 중국 업체들이 생산하고 있는데 테슬라뿐 아니라 폭스바겐, 포드, 스텔란티스 등 글로벌 자동차OEM도 LFP배터리에 높은 관심을 보이고 채용 확대 여부를 검토 중에 있다.
HV-미드니켈(High Voltage Mid-Ni) NCM은 과거 유미코어를 통해 상용화되었으나 하이니켈의 등장으로 수면 아래로 가라앉았다. 고전압은 양극재의 균열을 유발하고 수명이 짧아지기 때문이다. 그러나 최근 고전압을 견딜 수 있는 단결정 음극재의 개발과 배터리 기술의 개선으로 LFP의 대항마로 최근 재부상하고 있으며, 한국의 하이니켈 사용 업체들이 다시 비중 확대를 검토하고 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.
전세계 양극재 생산 업체는 200여개사 이상 존재한다. 이 중 실적이 있는 업체는
100~150여개사로 나머지 50개사 정도는 개발 또는 참여 계획을 가지고 있는 단계이다.
일본이 20~30개사, 한국이 15~30개사, 중국 및 기타 100~150여개 이상이 있다.
기타사 중 벨기에의 다국적 기업인 Umicore가 있다. 또한, 전세계에 약 150여개 이상 정도의 양극재 원료 및 전구체 업체가 있다.
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.
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 최근 많이 주목받고 있는 LFP, LMFP 양극재의 기술 및 제조
공정 프로세스와 고전압 HV(High Voltage) 양극재 기술에 대한 챕터를 추가하여 다루어 보았다.
그 중 상세 조사업체는 한국이 9개, 일본이 약 5개, 중국이 24개 업체 이다.
시장 부분은 최근 5개년 동안의 수요자 측면에서의 동향과 공급자 측면에서의 동향을 국가별, 기업별, 양극재 타입별로 업계 SCM을 분석하였다. 또한 Global 양극재(CAM) Supply 현황 및 전망 및 LIB Maker별 수급 전망을, IT 및 xEV, ESS 시장을 배경으로 2035년까지의 양극재 종류별 시장 전망 및 가격 전망을 하였다.
본 보고서의 Strong Point
- 최근 관심이 높은 LFP와 고전압 HV(High Voltage) 양극재에 대한 기술 동향을 알 수 있다.
- 최근 관심이 높은 Ni rich NCM 양극재에 대한 기술 동향을 알 수 있다.
- 최근 관심이 높은 Cobalt free 및 단입자 양극재에 대한 기술 동향을 알 수 있다.
- 리튬이차전지 양극재 시장의 생산업체별, 셀업체별 수요 및 캐파증설계획, 가격을 알 수 있다.
- 리튬이차전지 양극재 한중일 주요 생산업체에 대한 디테일한 세부 정보를 얻을 수 있다.
- 삼원계 양극재와 LFP 양극재의 제조 공정에 대한 디테일한 세부 정보를 얻을 수 있다.
- 리튬이차전지 주요 배터리메이커들의 CAM 수요 및 Supplier 현황 및 전망을 파악할 수 있다.
- 최근 3~5개년의 양극재 업계의 사용흐름 변화를 상세히 알 수 있다.
- Contents –
Chapter Ⅰ. 양극재 기술 현황 및 개발 Trend
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. 서 론
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. 고전압 HV(High Voltage) 양극재 기술
1. HV 양극재 Current state
1.1 Current status in China
1.2 Current status in Korea
1.3 Current status in Japan
2. HV 양극활물질
2.1 LMFP (Li(M)FePO4)
2.2 LNMO : LNMO(LINI0.5MN1.5O4)
2.3 LCO (LiCoO2)
2.4 Li rich Manganese NMC(L1.2Mn0.54N0.13C0.13O2)
2.5 HLM : LMNCO (L1.2Mn0.54N0.13C0.13O2)
3. HV 양극활물질의 문제점
3.1 Surface degradation
3.2 Gas release
3.3 Phase transformation
3.4 Microcracks
3.5 degradation of LCO bulk & interface
3.6 Formation & Evolution Mechanism of CEI
3.7 Parasitic Oxidation Reaction at LCO
3.8 Transition Metal Dissolution at LNMO
3.9 Surface Cracks and Phase Changes
3.10 Degradation of Li-rich Manganese NMC cathode
4. HV 양극활물질의 해결방법
4.1 Element doping
4.2 Surface coating
4.3 Single crystal(SC) fabrication
4.4 Structural Design(concentration gradient)·
4.5 Multifunctional Electrolyte Additives
Chapter Ⅳ. 양극재 제조 공정
1. 양극재 제조 공정 (NCM)
1.1 Mixing
1.2 Calcination
1.3 Crushing
1.4 Sieving
1.5 Magnetic separation
2. 양극재 제조 공정 (LFP)
1.1 고상 합성법
1.2 액상 합성법
1.3 전구체법
3. 전구체 제조 공정
2.1 Ni계 제조 flow (NCM)
2.2 LFP 제조 flow (고상 법)
2.3 LFP 제조 flow (액상 법)
2.4 Reactor/Reactor 이후의 공정
4. 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
5. 양극 기판 제조 공정
Chapter Ⅴ. 전세계 LIB 시장 전망 (~2035)
5.1 Global Secondary Battery 사용량Installation Outlook
5.2 Global Secondary Battery 출하량Shipment Outlook
5.3 Global Secondary Battery 생산량Production Outlook
5.4 Global Secondary Battery Production Outlook by Suppliers
5.5 Global Secondary Battery Production M/S Outlook by Suppliers
5.6 Global Secondary Battery Production by Cathode Chemistry
5.7 Global Secondary Battery Production M/S by Cathode Chemistry
Chapter Ⅵ. Global 양극재(CAM) Supply 현황 및 전망
6.1 양극재(CAM) Application별 Demand Outlook (’21~’35)
6.2 양극재(CAM) Chemistry별 Demand Outlook (’21~’35)
6.3 양극재(CAM) Chemistry별 Demand M/S Outlook (’21~’35)
6.4 EV용 CAM Chemistry별 Demand Outlook (’21~’35)
6.5 ESS용 CAM Chemistry별 Demand Outlook (’21~35)
6.6 이차전지 양극재 Shipment Details (’21~24)
6.7 이차전지 CAM 국가별 Shipment Details (2021~2024)
6.8 다원계 양극재(Ni based CAM) Supplier별 Shipment(Supply) Volume (’21~’24)
6.9 다원계 양극재(Ni based CAM) Supplier별 Shipment M/S (’21~’24)
6.10 LFP 양극재 Supplier별 Shipment(Supply) Volume (’21~’24)
6.11 LFP 양극재 Supplier별 Shipment M/S (’21~’24)
6.12 다원계 CAM Supplier 현황 종합분석 (2023년 기준)
6.13 LFP CAM Supplier 현황 종합분석 (2023년 기준)
6.14 다원계 CAM Supplier Capa. Expansion Plan & 수급전망 (’21~’30)
6.15 LFP CAM Supplier Capa. Expansion Plan & 수급전망 (’21~’30)
6.16 CAM 재료별 가격 전망 (’21~’30)
6.17 CAM Market Size Outlook (’21~’30)
Chapter Ⅶ. LIB 업체들의 양극재 Demand 현황 및 전망
7.1 Application 및 Chemistry별 CAM Demand (‘21~’24)
7.2 LIB Maker별 CAM Demand (‘21~’24)
7.3 CAM Chemistry별 Demand from LIB Makers (‘21~’24)
7.4 주요 LIB Maker CAM 수요 및 Supplier 현황 및 전망
7.5 주요 업체간 Supply-Demand 일람
Chapter Ⅷ. 양극재 업체별 동향
1. 한국 양극재 업체
1.1 Ecopro (에코프로)
1.2 L&F (엘앤에프)
1.3 Posco Future M (포스코퓨처엠)
1.4 Umicore Korea (한국유미코아)
1.5 LG Chem. (엘지화학)
1.6 SDI(STM) (삼성에스디아이)
1.7 Cosmo AM&T (코스모신소재)
1.8 SM Lab (에스엠랩)
1.9 Top Materials (탑머티리얼즈)
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 Ronbay
3.2 B&M
3.3 XTC
3.4 Reshine
3.5 Easpring
3.6 CY Lico
3.7 ShanShan
3.8 ZEC
3.9 BTR
3.10 Brunp
3.11 LIBODE
3.12 Hunan Yuneng
3.13 Dynanonic
3.14 Hubei Wanrun
3.15 Lopal Technology
3.16 Rongtong Hi-TechV
3.17 Guoxuan(Gotion)
3.18 Youshan
3.19 Hunan Shenghua
3.20 Anda
3.21 Jintang Shidai
3.22 Shengfan
3.23 Pulead
3.24 Terui
4. 기타 양극재 업체
Chapter. Ⅸ. 참고문헌(Index)