<2025년> Cobalt-free 양극재 기술개발 동향 및 시장 전망
EV와 에너지저장시스템(ESS) 시장이 빠르게 성장하면서 배터리 수요는 폭발적으로 늘어나고 있지만 지금까지 주로 사용되던 니켈·코발트·망간(NCM) 계열 양극재에는 코발트 의존도가 높은 중요한 문제를 안고 있다.
배터리 성능면에서 코발트를 양극재에 사용하는 가장 큰 이유는 배터리의 안정성과 성능을 높여주는 역할이지만, 가격이 매우 불안정하고, 특정 국가에 생산이 집중되어 있으며, 실제로 전 세계 코발트 생산량의 70% 이상이 아프리카 콩고민주공화국에서 나오고 있고 더 나아가 인권 문제까지 얽혀 있다. 게다가 코발트 가격은 몇 년 사이에 크게 요동치면서 배터리 제조원가에 불확실성을 더해 왔다.
이런 배경 때문에 배터리 업계는 코발트 의존도를 줄이거나 완전히 제거한, 이른바 코발트 프리(Cobalt-free) 양극재 개발에 속도를 내고 있는데, 코발트를 쓰지 않으면서도 성능을 유지하거나 개선하는 것이 목표이며, 이를 통해 가격 안정성, 공급망 리스크 감소, 친환경·윤리적 이미지 강화라는 장점을 동시에 얻을 수 있다.
Cobalt free 양극재는 단순히 ‘값싼 소재’의 문제가 아니라, 공급망 안정성·에너지밀도·안전성이라는 복합적인 문제 해결을 위한 전략적 해법이라고 할 수 있다. 앞으로 전기차 시장은 단일 소재가 아닌, 차량 목적과 가격대에 맞는 다원화된 소재 포트폴리오가 핵심 전략이 될 것이며 따라서 코발트 프리 양극재는 그 중심에 서 있으며, 향후 5년간 가장 중요한 기술 개발 경쟁 분야 중 하나가 될 것으로 보인다.
• NMx는 중·고급 전기차용으로 빠르게 주목받고 있으며, SVOLT가 가장 앞서 있다.
• LMR은 가장 높은 에너지밀도 잠재력을 갖지만, 전압 감소라는 큰 장벽이 남아 있다.
• LMFP는 LFP의 안전성과 저비용에 성능을 보완해, 가장 빠르게 상용화가 확산되는 분야이다.
• LNMO는 고전압·고출력 특성이 강점이지만, 전해액 안정화가 상용화의 열쇠이다.
NMx는 LiNi₀.₅Mn₀.₅O₂, LiNi₀.₈Mn₀.₂O₂ 등의 대표조성이 있으며 기존의 니켈·코발트·망간(NCM) 계열에서 코발트를 빼고 망간 비율을 늘린 양극재로서 코발트를 제거함으로써 비용을 크게 낮출 수 있지만, 코발트가 빠지면 구조 안정성이 떨어져 수명 저하와 열화가 발생할 수 있어 이를 해결하기 위해 단결정 입자 설계, 도핑, 표면 코팅 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
LMR은 Li₁.₂Mn₀.₆Ni₀.₂O₂ 가 대표조성으로 리튬과 망간을 풍부하게 사용한 양극재로서 큰 장점은 에너지밀도를 크게 높일 수 있다는 점이다. 기존 소재보다 훨씬 많은 리튬을 활용할 수 있고, 이론적으로는 250mAh/g 이상의 높은 용량이 가능하나 충·방전을 반복하면 전압이 점점 떨어지는 전압 페이드(voltage fade)현상이 생기고, 초기 충전에서 상당한 비가역 손실이 발생하기 때문에 상용화 속도는 다소 느리지만, 여러 기업과 연구기관이 전압 페이드를 억제하는 기술을 개발 중이다.
LMFP는 LFP의 안정성과 긴 수명을 유지하면서, 망간을 넣어 평균 전압을 높여 에너지밀도를 끌어올린 소재이지만, 본래 전도도가 낮고 리튬 확산이 느리다는 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 카본 코팅, 나노화, Fe/Mn 비율 최적화 같은 기술이 활용되고 있으며 대표적으로 중국 CATL의 M3P가 LMFP 기반 기술로 잘 알려져 있다.
LNMO는 LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ 가 대표조성으로 4.7V의 높은 전압을 가지는 스피넬 구조의 양극재로서 코발트는 전혀 쓰지 않고, 니켈 함량도 적으며 고전압과 3D 스피넬 구조 덕분에 출력 특성이 뛰어나고 급속 충전에 유리하다. 그러나 높은 전압 때문에 전해액이 쉽게 산화되거나 망간이 용출되는 문제가 있기 때문에 고온에서 성능이 빨리 떨어질 수 있는데, 이를 해결하기 위해 고전압용 전해액 개발, 표면 코팅, 고체전해질 적용 같은 노력이 이어지고 있다.
우선 NMx 양극재의 경우, 중국 SVOLT는 2021년 세계 최초로 코발트 프리 NMx 셀을 양산했고, 실제 차량(GWM ORA Cherry Cat)에 탑재했으며 이는 코발트 프리 기술의 상용화 가능성을 입증한 대표 사례이다. 한국의 삼성SDI도 NMx계열 기술을 국제 전시회에서 공개하며 연구개발 성과를 알렸으며 아직 대규모 양산은 아니지만, 차세대 기술 로드맵에 포함되어 있다. SK On 역시 코발트 프리 배터리로 수상 실적을 올렸으며, 단결정 및 도핑 기술로 성능 저하 문제를 해결했다고 발표하고 있다.
미국 GM과 LG에너지솔루션 합작사인 울티엄셀즈는 LMR을 활용한 대형 각형 셀을 개발하고 있으며, 2028년 상용화를 목표로 하고 있다. 특히 SUV나 트럭 같은 대형차에 적합한 고에너지 배터리를 목표로 삼고 있다.
CATL은 LMFP 기반의 M3P 배터리를 2023년부터 양산하며 시장을 선도하고 있으며, Gotion High-Tech도 2024년부터 LMFP 기반 제품 양산을 계획했고, BYD도 2세대 Blade 배터리에 LMFP 계열 적용 가능성을 시사한 바 있다. 중국의 소재사인 Dynanonic, Easpring 등도 대규모 생산설비 투자를 진행하며 시장 확대를 준비 중이며 국내에서도 삼성SDI가 LMFP를 전시하며 적극적으로 시장 대응 의지를 보이고 있다.
유럽에서는 Topsoe와 Morrow 같은 기업이 LNMO 기반 배터리 상용화를 준비하고 있지만 LNMO는 전해액 안정성이 핵심 과제로 남아 있어, 소재와 전해액을 함께 혁신해야 하는 상황이다.
본 리포트에서는 이러한 Cobalt free 양극재 개발에 관한 전체적인 내용을 기술하고 있으며, 좀 더 자세하게는 Global 리튬이차전지 시장과 EV 시장의 분석, cobalt free 양극재 시장과 EV 현황 분석하였고, 양극재 개발동향과 전망을 다루면서, 핵심인 cobalt free 양극재 기술개발 동향과 전망을 정리하였다. 특히, cobalt free 개발 및 적용에 앞서가고 있는 중국업체 및 국내업체의 기술분석 및 특허분석까지 내용을 넓히면서 cobalt free 양극재의 중요 기술을 파악하고자 하였다.
부디 SNE Research의 본 리포트가 cobalt free의 기술 및 시장에 관심이 있는 분들에게 insight를 제시함은 물론 이를 둘러싼 산업을 이해 하는데 큰 도움이 되길 진심으로 바란다.
본 보고서의 Strong Point
① Cobalt free 양극재를 NMx, LMR, LMFP, LNMO 등 중요 양극재 중심으로 집중 조명
② Cobalt free 양극재의 한계점, 장점, 단점 및 해결 방안 등을 상세하게 분석 및 수록
③ Cobalt free 양극재에 대한 기업들의 기술개발 동향 및 생산 계획에 대하여 상세히 수록
④ Cobalt free 양극재 주요 개발기업 및 연구기관의 최신 및 주요 특허 분석
[ LMR 코팅 메카니즈 및 미세 구조 특성 분석 ]
목 차
1. 양극재 개발 현황
1.1 LiCoO2 양극재 개발-----------------------------------------------------------------------------------------------7
1.1.1 양극 활물질 종류 및 특성-----------------------------------------------------------------------------------7
1.1.2 개발 방향-------------------------------------------------------------------------------------------------------7
1.1.3 도핑 처리-------------------------------------------------------------------------------------------------------9
1.1.4 표면 처리-----------------------------------------------------------------------------------------------------12
1.2 LFP/LMFP 양극재 개발-----------------------------------------------------------------------------------------12
1.2.1 개발 현황-----------------------------------------------------------------------------------------------------12
1.2.2 K battery 3사 현황------------------------------------------------------------------------------------------13
1.2.3 중국 주요 OEM 현황---------------------------------------------------------------------------------------14
1.2.4 Blade battery vs. Shenxing battery 비교--------------------------------------------------------------15
1.3 Hi-Ni 양극재 개발-----------------------------------------------------------------------------------------------16
1.3.1 개발 현황 및 R&D 동향-----------------------------------------------------------------------------------16
1.3.2 NCM 단결정 기술개발 현황--------------------------------------------------------------------------------17
1.3.3 NCM 단결정 수세/수분관리--------------------------------------------------------------------------------18
1.3.4 4원계 양극재 기술의 장점/과제---------------------------------------------------------------------------19
1.3.5 4원계 양극재 vs. 3원계 양극재 비교---------------------------------------------------------------------20
1.3.5 4원계 양극재 적용 전지 특성------------------------------------------------------------------------------21
1.3.7 Bimodal 기술------------------------------------------------------------------------------------------------22
1.4 Cobalt free 양극재 개발---------------------------------------------------------------------------------------25
1.4.1 개발 필요성--------------------------------------------------------------------------------------------------25
1.4.2 문제점과 해결책---------------------------------------------------------------------------------------------26
1.4.3 Co free 양극재 분류----------------------------------------------------------------------------------------27
1.4.4 Co free 양극재 특성-----------------------------------------------------------------------------------------28
1.4.5 LNO/LMO 양극재--------------------------------------------------------------------------------------------29
1.4.5 무질서 암염 양극재 및 개발 현황------------------------------------------------------------------------30
1.4.7 NMA 양극재 특징 및 개발 현황--------------------------------------------------------------------------33
1.4.8 전고체 배터리용 양극재------------------------------------------------------------------------------------34
2. Cobalt free 양극재 개발 현황
2.1 층상구조 양극재 개발-------------------------------------------------------------------------------------------38
2.1.1 코발트(Co)의 역할 및 기능-------------------------------------------------------------------------------38
2.2 층상구조 Co free 양극재 개발--------------------------------------------------------------------------------44
2.2.1 양극재 연구개발 방향--------------------------------------------------------------------------------------44
2.2.2 양극재별 비교------------------------------------------------------------------------------------------------45
2.2.3 양극재 특성 및 개발 현황---------------------------------------------------------------------------------46
2.2.4 한국 업체 개발 현황----------------------------------------------------------------------------------------47
2.2.5 해외 업체 개발 현황----------------------------------------------------------------------------------------48
3. LNO 양극재 개발 현황
3.1 LNO 양극재 개발-------------------------------------------------------------------------------------------------49
3.1.1 개발 현황 : 도핑 및 효과----------------------------------------------------------------------------------49
3.1.2 산소 방출 억제 전략----------------------------------------------------------------------------------------52
3.1.3 CEI(Cathode Electrolyte Interphase)제어-------------------------------------------------------------55
3.1.4 이중 원소 도핑 : Mg, Al 원소-----------------------------------------------------------------------------57
3.1.5 이중 원소 도핑 : Mg, B 원소------------------------------------------------------------------------------58
3.1.6 다중 원소 도핑 : Mg, Al, Zr, Ti 원소 ------------------------------------------------------------------60
4. LMO/LNMO 양극재 개발 현황
4.1 LMO/LNMO 양극재 개발---------------------------------------------------------------------------------------61
4.1.1 Spinel계 양극재 개요---------------------------------------------------------------------------------------61
4.1.2 LMO/LNMO 양극재 연구 동향----------------------------------------------------------------------------62
4.1.3 LNMO 특징 및 개발 현황----------------------------------------------------------------------------------63
4.1.4 LNMO 양극재 개발------------------------------------------------------------------------------------------64
4.1.5 LNMO vs. 기타 양극재의 가격 비교----------------------------------------------------------------------66
4.1.6 LNMO 적용---------------------------------------------------------------------------------------------------67
5. NMx 양극재 개발 현황
5.1 NMx 양극재 개요-------------------------------------------------------------------------------------------------70
5.1.1 리튬 확산 촉진 구조 설계---------------------------------------------------------------------------------70
5.1.2 특징 및 연구 동향------------------------------------------------------------------------------------------71
5.1.3 단결정화를 통한 수명 확보--------------------------------------------------------------------------------72
5.1.4 결정 구조-----------------------------------------------------------------------------------------------------73
5.1.5 NMABC8020 가격 경쟁력 분석---------------------------------------------------------------------------74
5.1.6 NMABC8020 제조원가 계산-------------------------------------------------------------------------------75
5.1.7 NMABC8020의 차별화 개념-------------------------------------------------------------------------------76
5.1.8 NMABC8020의 구조 및 조성-----------------------------------------------------------------------------77
5.1.9 NMABC8020의 방전용량 특성----------------------------------------------------------------------------78
5.1.10 NMABC8020의 고온 수명 평가-------------------------------------------------------------------------79
5.1.11 NMABC8020의 C-rate 평가-----------------------------------------------------------------------------80
5.2 NMx 양극재 개발 현황------------------------------------------------------------------------------------------81
5.2.1 도핑 개요-----------------------------------------------------------------------------------------------------81
5.2.2 단일 원소 도핑 : Mo, Na 원소----------------------------------------------------------------------------83
5.2.3 이중 원소 도핑 : Mg, Fe 원소-----------------------------------------------------------------------------87
5.2.4 이중 원소 도핑 : Ti, Nb 원소----------------------------------------------------------------------------90
5.2.5 다중 원소 도핑 (고엔트로피)------------------------------------------------------------------------------93
5.2.6 CEI 제어-------------------------------------------------------------------------------------------------------96
5.2.7 단결정---------------------------------------------------------------------------------------------------------99
5.2.8 형상 제어---------------------------------------------------------------------------------------------------103
5.2.9 CEI 제어-----------------------------------------------------------------------------------------------------106
5.2.10 단결정-----------------------------------------------------------------------------------------------------107
5.2.11 형상 제어-------------------------------------------------------------------------------------------------108
6. LMR 양극재 개발 현황
6.1 LMR 양극재 개요-----------------------------------------------------------------------------------------------110
6.1.1 LMR 양극재 특징------------------------------------------------------------------------------------------110
6.2 LMR 양극재 한계점--------------------------------------------------------------------------------------------111
6.2.1 전압 강하---------------------------------------------------------------------------------------------------111
6.2.2 초기 용량 감소---------------------------------------------------------------------------------------------112
6.3 LMR 양극재 기술 현황----------------------------------------------------------------------------------------113
6.3.1 단일 원소 도핑---------------------------------------------------------------------------------------------113
6.3.2 이중 원소 도핑 : Zr, F 원소------------------------------------------------------------------------------115
6.3.3 이중 원소 도핑 : Na, Nb 원소---------------------------------------------------------------------------118
6.3.4 다중 원소 도핑(고엔트로피)------------------------------------------------------------------------------120
6.3.5 코팅----------------------------------------------------------------------------------------------------------122
6.3.6 코팅 & 도핑------------------------------------------------------------------------------------------------124
7. LMFP 양극재 개발 현황
7.1 LMFP 양극재 개요----------------------------------------------------------------------------------------------127
7.1.1 LMFP 양극재 필요성--------------------------------------------------------------------------------------127
7.1.2 LMFP 양극재 특징-----------------------------------------------------------------------------------------128
7.1.3 LMFP 양극재 개발 현황----------------------------------------------------------------------------------129
7.1.4 LMFP 문제점 및 해결방법--------------------------------------------------------------------------------130
7.1.5 LMFP의 제조방법------------------------------------------------------------------------------------------132
7.1.6 LMFP 복합 삼원계(Composite) 제조방법------------------------------------------------------------134
7.2 LMFP 양극재 한계점-------------------------------------------------------------------------------------------135
7.2.1 Jahn-Teller distortion-----------------------------------------------------------------------------------135
7.2.2 Mn 용출-----------------------------------------------------------------------------------------------------136
7.2.3 낮은 이온 및 전자 전도도-------------------------------------------------------------------------------137
7.2.4 LMFP의 이중 전압 플랫폼 문제-------------------------------------------------------------------------138
7.3 LMR 양극재 기술 현황----------------------------------------------------------------------------------------139
7.3.1 LMFP의 Core-shell 구조 및 카본 코팅---------------------------------------------------------------139
7.3.2 LMFP 이온전도도 개선 전략-----------------------------------------------------------------------------140
7.3.3 Doping/Coating 전략------------------------------------------------------------------------------------142
7.3.4 Doping/Coating------------------------------------------------------------------------------------------143
7.3.5 Heteroatom-Doped Carbon Layer-------------------------------------------------------------------151
7.3.6 Morphology 제어 전략----------------------------------------------------------------------------------152
7.3.7 양극 소재 Blending--------------------------------------------------------------------------------------154
7.3.8 구조 제어형 전구체 기반 합성법-----------------------------------------------------------------------155
8. 업체별 개발 현황 및 시장 전망
8.1 LG엔솔 : LMR 양극재 개발 현황------------------------------------------------------------------------------160
8.2 LG Chem : NMx/LMR/LMFP/LNMO--------------------------------------------------------------------------161
8.3 포스코 퓨처엠 : LMR 양극재 개발 현황---------------------------------------------------------------------162
8.4 SVOLT : NMx 양극재 개발 현황------------------------------------------------------------------------------165
8.5 EcoproBM : NMx /LMx(LMR)개발현황-----------------------------------------------------------------------168
8.6 코스모 신소재 : NMx 양극재 개발 현황---------------------------------------------------------------------169
8.7 삼성 SDI : LMFP 양극재 개발 현황--------------------------------------------------------------------------170
8.8 중국 업체들의 LMFP 양극재 개발 현황--------------------------------------------------------------------171
8.9 폭스바겐 : LNMO 양극재 개발 현황-------------------------------------------------------------------------173
8.10 BASF : LNMO 양극재 개발 현황-----------------------------------------------------------------------------174
8.11 Nano One : LNMO 양극재 개발 현황----------------------------------------------------------------------175
8.12 황성기업 : LMO/LNMO 양극재 개발 현황----------------------------------------------------------------176
8.13 Targray : LMO/LNMO 양극재 개발 현황------------------------------------------------------------------177
8.14 TOB New Energy : LNMO 양극재 개발 현황-------------------------------------------------------------178
8.15 Toshiba : LNMO 양극재 적용 전지 개발 현황------------------------------------------------------------179
8.16 글로벌 양극재 시장 수요/규모 전망------------------------------------------------------------------------183
8.17 글로벌 양극재 수급 전망-------------------------------------------------------------------------------------184
8.18 글로벌 Co-free(NMx 포함) 수요 전망--------------------------------------------------------------------185
8.19 글로벌 Co-free(NMx 포함) 양극재 비율------------------------------------------------------------------186
8.20 Co free(NMx 포함) 양극재 xEV용 수요 전망-------------------------------------------------------------187
8.21 Co free(NMx 포함) 양극재 ESS용 수요 전망-------------------------------------------------------------188
8.22 Co free(NMx 포함) 양극재 가격 추이 전망---------------------------------------------------------------189
9. Cobalt free 양극재 특허 분석
9.1 LMR 주요 특허 (23건)------------------------------------------------------------------------------191~204
SAMSUNG SDI, 엘지에너지솔루션, FORD GLOBAL, TECH, HONDA MOTOR, GM GLOBAL TECH, UNIV XIAN TECHNOLOGICAL, BEIJING EASPRING MAT TECH
9.2 LMFP 주요 특허(32건)----------------------------------------------------------------------------------215~248
HUNAN YUNENG NEW ENERGY, HEFEI GUOXUAN HIGH TECH, HUIZHOU EVE ENERGY, EVE POWER BATTERY, EVE ENERGY, ANHUI DEYI ENERGY, TIANJIN RONGBAI SIKELANDE TECH
9.3 NMx 주요 특허(12건)----------------------------------------------------------------------------------249~270
한양대, 포스코이에스엠, SVOLT, CHANGAN UNIV, UT-Battelle LLC, JIANGSU ZHENGLI XINNENG BATTERY, UNIV NINGXIA, Alliance for Sustainable Energy
9.4 LNMO 주요 특허(25건)---------------------------------------------------------------------------------271~308
NanoOne, 유미코아, 삼성SDI, RENAULT S.A.S. 대만립개전능과학기술유한공사, 포항공과대학교,
UNIV HENAN, TOSHIBA, HARBIN INST TECHNOLOGY, SVOLT Energy, QINGDAO QIANYUN HIGH TECH NEW MATERIAL, HEFEI GUOXUAN HIGH TECH, LIBODE NEW MATERIAL, ENVISION POWER , LANGU CHANGZHOU NEW ENERGY, GAC AION, ZENTRUM FÜR SONNENENERGIE-, HUBEI ENERGY GROUP NEW ENERGY, QINGTAO KUNSHAN ENERGY, HENAN FAENLAITE NEW ENERGY, NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, ADVANCED LITHIUM ELECTROCHEMISTRY