최근 이차전지 시장은 소형 IT용 Application 시장에서 ESS, EV 시장으로 시장을 확대해 나가고 있으며 이차전지 음극재 시장 역시 이에 맞추어 수요가 증가할 것으로 전망되고 있다.
리튬 이차전지에서 음극 소재는 1991년 Sony가 최초로 LIB를 상용화하였을 때부터 지금까지 굳건하게 대부분 탄소계, 흑연계가 상품화되어 사용되고 있으며, 현재는 전지 Maker 별로 대부분 천연흑연계와 인조흑연계를 복합화하여 전지에 적용하고 있다. 최근 자동차 및 전력저장용 중대형 전지에서는 장수명의 요구사항을 만족하기 위해 인조흑연계 중심으로 개발이 진행되고 있다. 흑연계, 탄소계 음극 소재 제조 업체는 일본 업체 중심으로 진행되었다가 최근에는 중국 업체들이 활발하게 사업을 진행하고 있으며, 국내에서도 POSCO 그룹을 중심으로 음극재 사업을 적극적으로 추진하고 있는 상황이다. 그러나 흑연계 음극 소재는 현재 이론 용량에 거의 육박하는 한계에 도달해 있으며, 전지의 고용량화를 위하여 신규 소재들을 적극적으로 개발할 필요성이 높아지고 있다.
최근 들어 스마트폰의 요구되는 배터리 용량이 3,000 mAh 이상으로 증가하고, Tablet, Ultra PC 등이 4,000 mAh 이상의 대용량 리튬폴리머 전지를 사용하면서 요구되는 음극재의 용량 요구수준 역시 크게 증가하고 있다. 또한 전기자동차용 및 ESS용 중대형 배터리 시장에서도 고용량 음극 소재를 필요로 하면서 기존에 쓰이던 탄소계, 흑연계 음극재에서 최근에는 금속복합계인 실리콘(Si), 주석(Sn) 음극재가 주목받고 있고, 고출력 비흑연계 탄소재 음극재에 대한 관심도 높아지고 있으며 이에 대한 연구가 활발한 추세이다.
탄소계, 흑연계 외에 리튬 이차전지 고용량 음극 소재로 Si-C composite, Si-alloy, SiOx 가 개발 중에 있다. 그 중 SiOx 와 Si-alloy 는 가장 상품화에 근접되어 있으며, 일부 전지 메이커에서 전지에 적용하여 고용량 전지를 개발 중에 있으나, 아직까지 수명, 부피팽창(Swelling) 등의 문제가 있어 이를 개선하기 위한 노력을 진행 중이다. 그 외에도 음극 소재로 LTO와 같은 금속산화물계, Sn 같은 금속류 등이 음극재 후보 군이다.
전세계 음극재 시장은 한중일 3국이 시장을 주도하고 있으며, 중국 업체들이 자체 광산보유로 인한 가격경쟁력 우위와 중국의 내수시장을 기반으로한 중국 메이저 배터리 메이커의 성장과 함께 공급 물량을 늘려가며 절대 강자로 부상하였고, 일본 업체들은 인조흑연의 앞선 기술력과 특허 우위를 바탕으로 중국의 공세에 대응하고 있다. 반면 광산을 보유하고 있지 못한 한국의 음극 소재 업체들은 중국 업체와의 가격경쟁력에서 밀리고, 일본 업체와의 기술경쟁력에서 밀려 고전 하고 있으며, 국내 삼성SDI, LG화학, SK이노베이션 등 메이저 배터리 업체로의 공급 확대 및 최근 생산캐파가 급속히 늘고 있는 중국 배터리 업체에 납품 수주를 통해 돌파구를 찾고자 노력하고 있다. 2017년 실적 기준 중국 업체가 75%의 점유율을 보였고, 일본 업체가 22%, 한국 업체는 2% 에 머무르고 있다.
리튬 이차전지 음극 소재의 2017년 글로벌 출하량을 보면 음극 소재는 전체 202,740톤 중에 중국의 BTR이 45,800톤으로 가장 많은 출하량을 기록했다. 뒤를 이어 ShanShan(중) 이 27,570톤, Hitachi(일) 이 23,970톤, Zichen(중)이 14,360톤, Mitsubishi(일)가 12,010톤 순이었다. 한국은 음극 소재 시장에서 2% 미만의 낮은 점유율을 차지하고 있다. 국내 음극재 업체로는 포스코켐텍이 LG화학 등에 흑연 납품 물량을 늘려나가고 있다. 애경유화는 하드카본 및 표면개질 천연흑연을 생산하고 있다. GS칼텍스는 소프트카본계 음극재를 생산였으나 최근 매각이 되었다. 소형 이차전지 시장에서는 BTR이 ATL사에 음극재 공급량이 증가하고 있으며, Hitachi도 파나소닉에 음극재 공급물량이 증가하고 있다. 중대형 이차전지 시장에서는 BTR , ShanShan, Hitachi, Zichen, Mitsubishi, Xingcheng 등의 업체가 음극재 시장을 주도하고 있다.
이번 리포트에서는 여러 가지 타입별들의 음극재에 관한 기술동향을 기술하였는데, 특히 합금계 와 화합물계를 중심으로 한 최신 음극소재 기술 개발동향을 좀더 상세히 추가하여 논하였다. 또한 향후 리튬 이차전지의 개발 및 응용을 고려할 때 고출력 특성에 대한 요구는 계속해서 증가할 것으로 전망되어 이에 대한 상세 내용도 다루었다.
또 일본, 중국, 한국 및 기타 국가들의 음극재 업체별 음극재 생산 현황에 대하여 살펴보았다. 일본이 약 10개 업체, 중국이 10개 업체, 한국 8개 업체 등이다.
마지막으로 시장 부분은 최근 5개년 동안의 수요자 측면에서의 동향과 공급자 측면에서의 동향을 국가별, 기업별, 음극재 타입별로 업계 Pipeline을 분석하였다. 또한 IT 및 EV 시장을 배경으로 2025년까지의 음극재 시장 수요를 전망하였다.
- Contents -
1.1. 리튬 금속 이차전지와 리튬 이온전지
1.2 리튬금속 음극
1.3 리튬금속 대체 음극소재 요구특성
1.4 탄소계 음극 발전 현황
1.5 음극소재 개발 현황
2. 탄소계 음극 소재
2.1 탄소재의 개요
2.1.1 탄소원자의 결합양식
2.1.2 탄소의 제조
2.1.2.1 기상 탄화
2.1.2.2 액상 탄화
2.1.2.3 고상 탄화
2.2 소프트카본계 음극 소재
2.2.1 흑연
2.2.1.1 구조적 특성
2.2.1.2 전기화학적 특성
2.2.1.3 전극 반응기구
2.2.1.4 흑연 탄소재 제조 및 상용 흑연
2.2.1.4.1 인조 흑연
2.2.1.4.2 천연 흑연
2.2.1.4.3 천연 흑연의 정제
2.2.1.5 탄소 코팅된 흑연 탄소재
2.2.1.6 구형화 천연흑연 특성 향상
2.2.2 저온소성 탄소
2.2.2.1 구조적 특성
2.2.2.2 전기화학적 특성
2.2.2.3 전극 반응기구
2.2.2.4 제조 방법
2.3 하드 카본계 음극소재
2.3.1 하드 카본계 탄소재 (non-graphitizable carbons)
2.3.1.1 구조적 특성
2.3.1.2 전기화학적 특성
2.3.1.3 전극 반응기구
2.3.1.4 제조 방법
2.4 탄소계 음극을 사용한 리튬이차 전지 특성
3. 합금계 음극소재
3.1 합금계 음극 개요
3.2 합금계 음극 소재의 특징 및 제조 기술
3.2.1 문제점 및 해결 방안
3.2.2 금속 복합계 음극소재
3.2.3 금속 - 탄소 복합계 음극 소재
3.2.3.1 고용량 활성금속 및 합금의 탄소 코팅
3.2.3.2 고용량 활성금속 및 합금/흑연계 탄소 혼합 복합체
3.2.3.3 고용량 활성금속 및 합금/흑연계 탄소 혼합 복합체의 탄소코팅
3.2.3.4 흑연 및 탄소나노 섬유에 Si 화학증착
3.2.3.5 Yolk-shell 구조의 복합체
3.2.3.6 그래핀 코팅 실리콘 입자
3.2.3.7 메조다공성 Ge/GeO2/카본복합체
3.2.3.8 실리콘 폐기물을 이용한 실리콘-그래핀 복합체
3.2.3.9 마이크로미터 크기 실리콘 입자를 이용한 실리콘 기반 복합체
3.2.3.10 저가의 실리콘 원료
3.2.3.11 실리콘 입자에 대한 탄소코팅
3.2.4 Si계 고용량 음극소재 개발 동향 고찰
3.2.5 기타 Si 음극 소재
3.2.5.1 3 차원 다공성 Si
3.2.5.2 Si 나노튜브
3.2.6 금속/ 합금 박막형 음극
4. 고출력 음극소재 및 개발동향
4.1 인터칼레이션 소재 (intercalation materials)
4.2 합금계 소재 (alloying materials)
4.3 전이 소재 (conversion materials)
4.4 나노구조를 갖는 마이크로 입자 (Nano-structured Micro-sized Particles)
4.5 향후 전망
5. 화합물 음극소재
5.1 산화물계 (Oxides) 음극소재
5.1.1 Li4Ti5O12 (or Li4/3Ti5/3O4)
5.1.2 TiO2
5.1.2.1 Rutile TiO2
5.1.2.2 Anatase TiO2
5.1.2.3 TiO2-B
5.1.2.4 부루카이트
5.2 질화물계 (Nitrides)음극소재
6. 리튬이온전지의 안전성에 대한 음극의 영향
7. 전세계 음극재 기업 동향
7.1 일본의 음극재 업계
7.1.1 Hitachi Chemical
7.1.2 Nippon Carbon
7.1.3 JFE Chemical
7.1.4 Mitsubishi Chemical
7.1.5 Hitachi Powdered Metals
7.1.6 Kureha
7.1.7 Showa Denko
7.1.8 Shinetsu
7.1.9 기타 일본의 음극재 업체들
7.2 중국의 음극재 업체들
7.2.1 BTR Eneregy Materials Co., Ltd.
7.2.2 Shanghai Shanshan Tech Co., Ltd.
7.2.3 Easpring
7.2.4 Changsha Xingcheng
7.2.5 Zichen
7.2.6 Zheungtuo
7.2.7 Sinuo
7.2.8 XFH
7.2.9 Huzhou Chungya
7.2.10 Morgan AM&T Hairong Co., Ltd
7.3 한국의 음극재 업체들
7.3.1 포스코켐텍
7.3.2 GS에너지
7.3.3 애경유화
7.3.4 일진전기
7.3.5 대주전자재료
7.3.6 더블유에프엠
7.3.7 EG
7.3.8 MK전자
8. 전세계 음극재 시장 현황 및 전망 (~2025)
8.1 전세계 음극재 사용 현황
8.1.1 전세계 음극 사용량 변화 추이
8.1.2 국가별 음극재 사용량 변화 추이
8.1.3 Type별 음극재 사용량 변화 추이
8.1.4 국가별 음극재 Type별 사용량 변화 추이 (한국/일본/중국)
8.2 리튬이온이차전지 기업별 음극재 사용현황
8.2.1 삼성SDI의 음극재 사용 현황
8.2.2 LG화학의 음극재 사용 현황
8.2.3 SKI의 음극재 사용 현황
8.2.4 Panasonic의 음극재 사용 현황
8.2.5 Sony의 음극재 사용 현황
8.2.6 AESC의 음극재 사용 현황
8.2.7 Hitachi의 음극재 사용 현황
8.2.8 ATL의 음극재 사용 현황
8.2.9 BYD의 음극재 사용 현황
8.2.10 Lishen의 음극재 사용 현황
8.2.11 Coslight의 음극재 사용 현황
8.3 음극재 기업별 음극재료 공급 현황
8.3.1 Hitachi Chemical
8.3.2 Nippon Carbon
8.3.3 JFE Chemical
8.3.4 Mitsubishi Chemical
8.3.5 BTR
8.3.6 ShanShan
8.3.7 Zichen
8.3.8 Posco Chemtech
8.4 LIB 음극재 생산 캐파 현황
8.5 LIB용 음극재 시장전망 (~2025)
8.6 LIB용 음극재 가격전망 (~2025)
References