[2차전지] 실리콘음극재, CNT도전재

배터리 셀 대비 소재 업체들의 주가 상승률 우위 지속될 전망

– 올해 들어 주요 완성차 제조사들은 2024년경부터 새로 출시되는 전기차들에 대한 배터리 셀 발주를 상당 부문 진행. 다만 업계에 따르면 이 과정에서 과거 내연기관 산업에서 구매 협상력이 높았던 완성차 업체들이 전기차 생산원가에서 약 40%를 차지하는 배터리 셀의 가격인하를 강하게 요구
– 국내 업체들이 2023~2024년부터 ‘9½½’ 양극재를 적용해 생산 예정인 차세대 하이-니켈 NCM/NCA 배터리는 현재 원재료 가격 동일 가정시 배터리의 에너지 용량당 제조원가가 지금보다 20%가량 절감될 것으로 전망. 다만 배터리의 제조원가가 낮아지더라도 판가가 같이 하락한다면 셀 업체들의 수익성과 ROIC(투하자본수익률)는 크게 개선되기 어려울 가능성 존재
– 반면 핵심 소재 업체들은 타이트한 수급 상황으로 원재료 가격 상승분을 제품 가격에 반영 중. 또한 소품종 대량 생산함으로써 규모의 경제를 실현해 안정적인 수익성을 기반으로 뚜렷한 실적 상승세 시현. 이들은 배터리 셀 업체들 대비 ROIC가 높아 주가Multiple 확장 측면에서도 유리

 

ROIC가 높은 배터리 소재 업체들이 멀티플 확장에 유리

– 당사가 추정한 단위 Capex당 영업이익 기여도에 따르면 CNT 도전재, 전해액/ 전해질, 양극재 산업 등이 가장 높은 편. 또한 소재 업체들은 완성차 업체들의 수직계열화 움직임에서도 비교적 자유로움. 과거와는 달리 일본 업체들이 특허권을 보유한 일부 전해질염정도를 제외한다면 이차전지 소재 시장에서 대부분 국내 업체들이 기술적인 강점을 지니고 있는 것으로 판단
– 따라서 국내 배터리 업체들뿐만 아니라 Top-tier 완성차 업체들의 배터리 수직계열화를 통한 유럽, 미국 내 신규 배터리 업체들의 진입도 또 다른 기회 요인으로 작용. 이에 따라 당사는 내년에도 여전히 배터리 소재 업종이 셀 업체들 대비 상대적인 투자 매력도가 높을 것으로 판단

 

2020~2021년 양극재 업종 주가 상승폭 가장 뚜렷

– 2020~2021년 이차전지 소재 중 주가 상승폭이 가장 컸던 업종은 양극재. 완성차와 배터리 셀 업체들의 배터리 기술 개발 방향이 주행 거리를 늘리기 위한 에너지 밀도 향상에 우선 집중했기 때문
– 양극재는 배터리 생산원가에서 차지하는 비중이 약 40%에 달해 소재 산업에서 시장 규모가 가장 큼. 특히 삼원계 리튬 배터리 양극재 시장에서 높은 기술 경쟁력을 확보하고 있는 국내 업체들은 미국, 유럽 내 신생 배터리 업체들까지 고객사로 확보할 가능성이 높을 것으로 판단
– 국내 양극재 업체들의 총 생산 Capa.는 2021년말 25만t에서 2023년말에는 77.5만t, 2025년말에는 117만t 이상으로 크게 확대될 예정. 그럼에도 불구하고 2025년 연간 삼원계 양극재 수요 전망치인 약 300만t 대비 상당히 부족해 보인다. 따라서 국내 양극재 업체들의 중장기적인 Capa. 증설 계획의 상향과 이에 따른 실적 성장세가 지속될 것으로 기대

 

22년 전지박, 실리콘 음극재 업종 관심도 상승할 전망

– 2021년 국내 이차전지 소재 업종 내 주가 상승폭이 가장 컸던 업종은 양극재. 양극재는 배터리 소재 원가에서 차지하는 비중이 약 35~40% 수준으로 가장 높고, 2021년~2022년 국내 양극재 업체들의 Capa. 증가폭도 가장 뚜렷했던 것으로 분석

– 2022년에는 2023~2024년 Capa. 증가폭이 큰 국내 전지박과 전해질 업체들에 주목해야 할 것으로 판단. 실제로 4Q21부터 국내 전지박 업체들의 미국, 유럽 Capa. 증설 계획을 발표하거나 주요 완성차, 배터리 셀 업체들과의 장기 공급 계약이 가시화되며 주가 상승모멘텀 강화될 것으로 전망
– 또한 2023년부터 전기차 배터리 소재 적용이 본격화될 예정인 실리콘 음극재(w/ CNT 도전재) 업체들도 관심 부각될 것으로 판단

 

전지박 시장 진입 장벽 높아 국내 업체들의 점유율 빠르게 확대될 것

– 향후 전지박 시장 내 국내 업체들의 점유율이 빠르게 확대될 전망. 전지박의 높은 기술적 진입 장벽을 감안할 때 신규 업체들의 진입이 상당히 제한적일 것으로 판단되기 때문
– 전지박은 구리를 고도의 공정 기술을 통해 두께가 얇으면서도 일정한 인장 강도를 유지하게 만든 박으로 이차전지 음극판으로 사용되는 핵심 소재. 전지박은 핵심 설비인 티타늄 전착 드럼을 포함해 대규모 Capex를 필요로 하며 안정적인 양산 수율을 확보하기까지 긴 시간이 소요. 다만 현재 전지박용 티타늄 전착 드럼은 3년 가량 주문이 밀려있는 상황
– 전세계 전지박 시장은 국내 3사인 SK넥실리스, 일진머티리얼즈, 솔루스첨단소재 CCP(대), Wason(중), Furukawa(일), NipponDenkai(일) 등 Top 7 업체 정도만이 높은 기술력을 기반으로 고객사들이 요구하는 수준을 충족. 국내 전지박 업체들은 유럽, 미국 지역에 대규모 전지박 생산 설비 투자에 나설 계획

 

2023년부터 실리콘 음극재 적용 본격화될 전망

– 리튬 배터리에서 양극활물질은 시대의 요구에 따라 다양하게 변화되어 왔지만, 양극재에서 높은 에너지를 생성하더라도 이를 저장하는 장소인 음극재가 균형 있게 받쳐주지 않는다면 효율성이 떨어질 수 밖에 없음. 특히 충전시 음극재가 리튬 이온을 더 잘 받아들일 수 있어야 충전시간 개선 가능
– 음극활물질은 오래 전부터 지금까지 꾸준하게 흑연(Graphite)이 많이 사용되어 왔음. 흑연의 뒤를 이을 소재로 실리콘(Si)이 부각. 배터리의 음극 내에서 흑연은 리튬이 6개의 탄소 원자에 포위된 LiC6(Li+6C) 형태로 저장되며, 실리콘은 리튬이온과 결합해 Li22Si5(22Li+5Si)로 형성

– 실리콘 음극재 +CNT 도전재 적용시 절대적인 배터리 Cell 소재비는 5wt 10wt 가정시 각각 2~3%, 4~5% 가량 상승하나 에너지밀도 개선으로 배터리 Cell, Pack 용량당 가격 비용 상승폭은 1~2% 수준으로 상당히 미미
– 특히 소재 비용 증가 부담이 낮으면서도 충전 시간이 기존 대비 30 가량 단축할 수 있다는 점도 중요 요인

 

실리콘 음극재를 사용하면 왜 충전 속도가 빨라지는가?

– 리튬이온전지에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 음극재료인 흑연은 층상 구조이기 때문에 Li 이온을 흡수하여도 체적 팽창이 작아 수명이 길다는 장점은 있지만 이론상 저장 용량이 372mAh/g으로 낮아 에너지를 저장하는데 한계 존재. 반면 실리콘 음극재는 3,579mAh/g의 높은 이론적 용량과 낮은 방전 전위, 무독성의 성질을 띄어 음극활물질로서의 활용 가능성 대두. 특히 저장 용량이 흑연 대비 월등히 높아 10~15%가량만 섞어 사용하더라도 충분한 효과 기대
– 이론적으로 흑연과 실리콘의 저장 용량을 비율대로 가중 평균할 경우 ‘흑연 90%+Si 10%’의 저장 용량은 506mAh/g 수준에 달할 것으로 추정. 따라서 동일 에너지 용량을 저장시 음극재 부피(두께)를 얇게 할 수 있기 때문에 충전 시간 단축 가능(이론상 실리콘의 저장용량은3,579mAh/g이지만 실리콘 산화물 혹은 실리콘-탄소 복합체 음극재는 불순물이 포함되기 때문에 실제 상용화된 실리콘 음극재의 저장 용량이 1,715mAh 수준임을 현실적으로 반영)

 

실리콘 음극재 공급망에 CNT 도전재도 빼 놓을 수 없다

– CNT와 CNT 도전재는 전혀 다른 개념. 우선 CNT는 Single walled과Multiwalled 구조로 구분
– CNT 도전재는 이러한 CNT를 잘 분산시켜 만든 이차전지 소재로서 양극재용과 음극재용으로 구분되며, 전자가 이동하는 통로 역할을 수행. CNT 원재료를 만드는 것은 Multi walled CNT에 한해 상대적으로 쉬운 편이지만 이를 잘 분산시켜 만드는 CNT 도전재는 또 다른 영역으로 높은 기술적 진입 장벽 존재

 

양극재에 CNT 도전재 적용시의 효과 – ① 에너지 밀도 향상, ② 수명 개선

– CNT 도전재를 양극재에 적용할 경우 기존 도전재인 카본블랙 대비 전자 이동도가 높아 사용량을 1/5로 줄일 수 있기 때문에 적은 양으로도 동일 성능을 구현할 수 있어 체적 에너지 밀도(Volumetric energy density)가 향상된다는 것. 특히 카본 블랙에 비해 높은 강도를 지니고 있어 고전압, 고속 충전에도 유리. 기존 리튬 배터리의 화학적 물성 변화를 크게 일으키지 않아 쉽게 적용 가능

– 동일 부피 내에서 도전재, 바인더 사용량을 줄이고 NCM, NCA와 같은 양극활물질을 더 많이 투입할 수 있기 때문에 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있으며 생산 원가 절감 효과 기대

– CNT 도전재가 이차전지 소재로서 물성을 충분히 발휘하기 위해서 우선 확보되어야 하는 것은 균일한 분산 기술. 일반적으로 CNT는 미세분말 상태라서 그 자체로는 사용이 어려움. 따라서 우수한 특성들을 효과적으로 발현시키기 위해서는 반드시 용액에 물리적으로 분산시키거나 다른 소재와 복합체로 만들어 사용

 

음극재에 CNT 도전재 적용시 효과 – ① 음극재 전자 이동도 향상, ② 실리콘 음극재 팽창 완화

– CNT 도전재를 음극재에 사용하면 더 많은 활성 사이트(Active site)를 제공해 에너지 용량을 높이고, 전기 전도도가 높은 CNT가 배터리효율과 성능 향상. 특히 최근에는 대다수 중대형 배터리 업체들이 음극재에 실리콘을 첨가해 사용하는 방향으로 개발을 추진하면서 CNT 도전재가 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 더욱 중요성이 부각

 

실리콘 음극재 공급망 현황 분석

– 대주전자재료가 방전 용량과 초기 효율 및 용량 유지율을 개선시킨 실리콘 음극 복합산화물(Si-MgxSiOx)을 유일하게 상용화해 지난 2019년부터 LG에너지솔루션에 공급 시작. 또한 실리콘-탄소 복합체 진영으로는 중국 BTR과 한솔케미칼이 삼성SDI향으로, SK머티리얼즈가 미국 Group14와 합작사를 설립하고 SK온향으로 양산을 준비 중

– CNT 도전재는 용매 종류에 따라 CNT 분산도가 달라지는 기술적 난이도 차이 때문에 양극재용 CNT 도전재와 음극재용 CNT 도전재를 양산할 수 있는 업체들도 구분. 양극재용 CNT 도전재 업체로는 나노신소재, LG화학, 동진쎄미켐, Toyo color(일), C-nano(중) 등이 있는 반면, 음극재용 CNT 도전재를 양산해 상용화할 수 있는 업체는 아직까지 나노신소재가 유일

 

[하이투자증권 정원석]