[증권사 레포트] 이차전지용 실리콘 음극재 및 CNT 도전재 분석 - 1편

전기차 배터리는 차량 가격의 약 1/3을 차지하고 전기차의 성능을 결정하는 핵심 부품입니다. 그래서 전기차가 내연기관차과 비슷한 수준의 주행 성능과 가격을 갖출 수 있도록 '저비용 고성능' 배터리에 대한 완성차 업체들의 요구가 높은 상황입니다. 이번 포스팅에서는 이런 업계 트렌드에 따라 수요가 증가할 것으로 예상되는 실리콘 음극재 및 CNT 도전재를 분석한 증권사 리포트(2023년 6월 2일 자 하나증권 'The more, the better')를 살펴보고자 합니다. 별도로 조사한 내용을 추가하면서 내용이 다소 길어져서 3개로 나누었습니다.

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'Better Battery'를 위한 Needs 증가

이 리포트는 리튬 이온 배터리 소재를 중심으로 기술되어 있습니다. 한편으로는 성장기를 지나 성숙기에 진입한 리튬 이온 배터리보다는 혁신적인 연구개발이 이루어지고 있는 꿈의 배터리인 '전고체 배터리'에 초점을 맞춰야 한다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 업계에서도 전고체 배터리의 상용화 시기를 2027~2030년 이후로 보고 있고, 상용화되더라도 높은 가격으로 인해 적용 범위가 빠르게 확대될 가능성은 낮아 보입니다. 상용화 이후 상당기간이 흐른 뒤에도 기술과 성능이 우수한 신기술이 시장의 주력으로 자리잡지 못하는 사례는 많이 있습니다. 따라서 당분간은 대세일 것으로 전망되는 리튬 이온 배터리에 논의 범위를 한정하는 것이 주식투자 목적의 산업·기업 분석에는 적절하다고 판단됩니다.

 

업계가 원하는 'Better Battery'란?

완성차 업체들이 중단기적으로 역량을 집중할 부분은 전기차의 주행거리 및 충전속도 개선으로 보입니다. 이는 최근 급부상하는 미국 시장의 특성 때문입니다. 미국은 유럽 및 중국과는 달리 보조금 지급 초기단계로 글로벌 주요 시장 중 성장률이 제일 높을 것('23년~'32년 CAGR 미국 27% vs. 유럽 16% vs. 중국 12%)으로 전망되면서 글로벌 완성차 및 배터리 기업들 진출이 활발한 상황입니다. 특히, 미국 시장은 다른 나라들과는 달리 SUV나 픽업트럭 같은 대형차 중심(대형차 비중 유럽 15% vs. 미국 70~80%)으로 형성되어 있어, 주행거리  및 충전속도에 대한 기준이 더욱 높습니다. 또한, 2가지 항목은 미국 시장뿐만 아니라, 일반적으로 소비자들이 전기차 구매 시에 고려하는 가장 중요한 요소이므로, 이를 충족할 수 있는 방향으로 소재가 개발될 것으로 예상됩니다.

 

글로벌 전기차 시장 전망 및 전기차 구매시 고려요소(출처 : 하나증권)

주행거리 향상

1회 주유 시 내연기관차 평균 주행거리가 670km인데 반해 전기차의 1회 완충 시 평균 주행거리는 아직 400km 수준입니다. 아직 갈길이 멀다 할 수 있습니다. 

 

주행거리를 향상하기 위해서 배터리 용량을 높여야 합니다. 배터리의 용량은 양극·음극 활물질 소재가 갖는 고유의 단위당 용량에 첨가량을 곱한 값입니다. 배터리 용량을 높이기 위해서는 높은 단위당 용량을 갖는 소재를 사용하거나 첨가량을 늘리면 됩니다. 이때 배터리 무게는 전기차의 전비(Energy Efficiency)에 영향을 주기 때문에 첨가량을 무한정 늘리지는 못합니다. 결국, 업계는 단위당 용량이 높은 양극·음극 활물질을 개발하거나, 동일 무게에서 활물질을 더 많이 탑재할 수 있게 다른 첨가제 개발하는 방향으로 나아가고 있습니다.

 

충전속도 향상

국내 고속도로 휴게소에 설치된 급속 충전기의 충전 속도는 대부분 50kW인데, 200 kWh 짜리 전기 트럭 배터리 완충하기 위해서는 급속 충전기로도 4시간 소요됩니다. 아직 대형 전기차의 출시가 본격적으로 이루어지지 않아서 미국 전기차 1대당 배터리 탑재 용량이 70 kWh 수준인데, 향후 전기 SUV 및 픽업트럭의 출시가 본격화되면 충전 시간 단축에 대한 요구가 더욱 커질 것으로 예상됩니다.

 

충전 시간에 대한 설명을 위해서는 이차전지의 구조와 작동원리를 아는 것이 필요합니다. 배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성되어 있습니다. 충전 시 양극재의 리튬이온이 빠져나와서 음극재에 저장이 되고, 방전 시에는 반대로 음극재에 저장되어 있던 리튬이온이 양극으로 다시 돌아가면서 전류가 흐릅니다. 이때 전해액이 리튬 이온이 양극과 음극 간을 원활히 이동할 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 이런 작동 원리를 감안해서 생각하면, 충전시간을 단축하기 위해서는 리튬 이온을 더 잘 받아들이는 음극재, 양극 간 리튬 이온의 이동속도를 높여주는 전해질 염(Salt) 및 첨가제가 필요합니다. 

이차전지 구조(출처 : 포스코케미칼, 하이투증권)

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 현재 업계에서 전기차 배터리에 기대하는 성능이 무엇이며, 이를 충족하기 위해 배터리 셀 레벨에서 어떤 부분이 개선되어야 하는지 확인하였습니다. 이는 왜 배터리 기술 Roadmap상 실리콘 음극재와 CNT 도전재가 등장하는지 이해하기 위한 배경지식입니다. 다음편(2편)에서는 실리콘 음극재와 CNT 도전재에 대해서 더 자세히 알아보겠습니다.

[증권사 리포트] 이차전지용 실리콘 음극재 및 CNT 도전재 분석 - 2편