이차전지 관련주가 국내 증시를 뒤흔들고 있다. 최근 황제주로 등극한 에코프로를 비롯해 포스코, LS 계열 이차전지주가 코스피와 코스닥를 주도하는 형국이다.

세계적으로 친환경 자동차에 대한 수요가 늘면서 전기차에 동력을 제공하는 이차전지. '돈방석 배터리'에 대한 관심은 더욱 커질 것으로 보인다. 국내 산업계에 새로운 바람을 불어넣는 이차전지의 원리와 구조, 생산업체, 향후 전망 등을 알아봤다.

이차전지 구성 요소

이차전지는 외부 전기 에너지를 화학 에너지로 변환해 저장했다가 다시 전기를 만드는 장치다. 충전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있다. 일차전지는 건전지, 알칼리전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 전지를 말하고, 이차전지는 방전 후 충전을 통해 500~2000번까지 재사용할 수 있는 배터리를 뜻한다. 리튬이온배터리는 대표적인 이차전지다. 전기차를 포함해 스마트폰, 노트북 등 다양한 분야에서 에너지 저장 장치로 사용되고 있다.

이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성돼 있다. 배터리 속 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만든다. 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하면 충전된다. 반대로 음극에서 양극으로 돌아가면 에너지를 방출하고 곧 방전된다.

 

전구체란?

여기서 전구체에 대해 잠시 살펴보자. 어떤 물질대사나 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 ‘특정 물질’이 되기 이전 단계의 물질을 전구체라고 한다. 양극재 품질을 결정짓는 중요한 물질이다. 전구체는 니켈·코발트 등을 녹인 금속 용액에 화학반응을 일으킨 뒤 침전·세척·건조 과정을 통해 만들어진다. 미세한 분말 형태의 전구체에 수산화 리튬을 섞으면 양극재로 탄생한다. 양극재 원가에서 전구체가 차지하는 비중은 대략 60%다.

전해질(전해액)은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 통로 역할을 한다. 만일 양극과 음극 그리고 전해질이 서로 닿게 되면 폭발로 이어지는 위험이 있다. 분리막은 세 개의 구성 요소가 만나지 않고 리튬 이온만 이동할 수 있게 하는 역할을 한다.

양극재 제조기업 : LG화학, 포스코퓨처엠, 에코프로비엠

양극재는 리튬이 들어가는 공간으로 ‘리튬 이온의 집’과 같다. 양극재의 리튬 비중에 따라 용량과 전압이 결정된다. 최근 고성능 양극재 수요가 늘며 NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 등 다양한 양극재가 개발되고 있다. 현재 국내 양극재 제조 업체는 LG화학·포스코퓨처엠·에코프로비엠 등이 있다. 

LG화학은 1995년부터 리튬이온 배터리 연구개발을 시작했으며, 2006년 세계 최초로 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재를 양산, 관련 기술을 축적해 왔다. 올 6월엔 사용할수록 배터리 수명이 줄어드는 문제를 개선한 ‘하이니켈 단입자 양극재’를 양산하기도 했다. 

포스코퓨처엠은 포스코케미칼의 새로운 이름이다. 지난 3월 사명(社名)을 바꿨다. 이 회사는 2025년 전남 광양 율촌 제1산업단지에 연산 5만2500t 규모의 양극재 공장을 건설할 예정이다. 포항 영일만에 4만6000t 규모의 양극재 공장을 추가로 건설한다. 양극재와 함께 음극재도 만든다.

에코프로비앰은 양극재와 함께 전구체를 제작하는 업체다. 2016년 설립된 에코프로비엠은 하이니켈계 양극소재 제품을 개발하고 양산화에 성공했다. 전기차, 에너지저장시스템, 무정전전원장치, 스마트그리드, 항공우주용, 의료용, 군사용 등 차세대 배터리의 핵심 소재 기업으로 성장하고 있다. 지난 1분기에 매출 2조110억원을 달성해 전년 동기 대비 204%의 성장률을 보였다. 

음극재 제조기업 : 포스코퓨처엠, 대주전자재료, SKC, 한솔케미칼

음극재는 쉽게 말해 리튬 이온이 일하는 공간이다. 음극재에 따라 충전 속도와 수명이 결정된다. 양극에서 나온 리튬 이온을 저장하고 방출해 전류가 흐르게 한다. 많은 이온을 저장할 수 있는 흑연을 주로 이용했다. 그러나 흑연은 시간이 지날수록 구주가 변해 저장 기능이 떨어져 최근엔 실리콘 음극재를 사용한다. 실리콘은 흑연에 비해 단위 에너지 용량(에너지밀도)이 약 10배 높아 충전 속도도 훨씬 빠르다. 현재 포스코퓨처엠, 대주전자재료, SKC, 한솔케미칼 등이 제조하고 있다.

포스코퓨처엠은 양극재와 함께 음극재도 만든다. 해당 기업은 천연흑연 및 저팽창 음극재를 개발해 공급하고 있다. 포스코퓨처엠이 생산하는 음극재는 반복적인 충전과 방전 과정에서도 안정적인 구조를 유지한다. 2030년까지 연 32만t의 생산능력을 확보할 계획이다.

대주전자재료는 2019년 세계 최초로 실리콘 음극재를 양산했다. 현재 생산능력은 3000t(톤) 수준으로 알려졌다. 양산 규모를 2024년 연산 1만t, 2025년 2만t까지 늘리기 위해 대규모 증설을 진행하고 있는 것으로 알려졌다.

SKC는 2020년 비즈니스 모델(BM) 혁신을 추진하며 글로벌 첨단소재 전문기업으로 도약하고 있다. 2020년 4월, 전기차 배터리 핵심 소재인 동박 제조 분야에서 글로벌 1위 기술력을 자랑하는 SK넥실리스를 출범시켜 이차전지 소재 사업을 한층 강화했다. SKC는 이차전지·반도체·친환경 분야의 고부가 소재사업을 계속 강화할 예정이다. 

한솔케미칼은 1980년 과산화수소의 국산화라는 도전으로 사업을 시작한 이래, 정밀화학 중심으로 국내 화학 산업에 일정 역할을 해왔다. 이후 기술 개발을 통해 반도체용 케미칼과 첨단 디스플레이용 IT 소재를 거쳐 이차전지 영역으로 확대하고 있다. 이 회사는 미래소재 분야에 대한 연구와 개발을 통해 새로운 성장을 꾀하고 있다. 한솔케미칼은 이차전지 적용 제품의 편의성 증대를 위한 고용량, 고속충전에 대한 요구가 증가함에 따라 실리콘 음극재에 집중하고 있다. 현재 이 회사는 고용량, 장수명 등의 고성능 Si 음극재 기술 및 양산설비를 보유하고 있다.

전해질(전해액) 제조기업 : 엔켐, 동화일렉트로라이트

전해질은 전해질염을 녹인 액체 상태로 일반적으로 ‘전해액’이라고 부른다. 전해액은 ▲리튬염(Lithium Salt) ▲유기용매(organic solvent) ▲첨가제(additive)로 만들어진다. 배터리 내부에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 오갈 수 있게 하는 ‘길’ 역할을 한다. 이온 전도가 높을수록 리튬 이온 이동이 원활하다. 전기화학적 안정성과 발화점이 높아야 안전하다. 대표 제조 기업은 엔켐과 동화일레트로라이트가 있다.

엔켐은 2012년 설립된 이차전지 전해액 제조 기업이다. 현재 ▲국내 연산 2만5000t(천안 2만t, 제천 5000t) ▲중국 3만t(조장 2만t, 후저우 1만t) ▲미국 2만t(조지아) ▲폴란드 2만t 등 총 9만5000t의 생산 능력을 갖추고 있다. 전기차 약 142만5000대(대당 약 67㎏)에 들어가는 양이다. 엔켐은 2024년까지 ▲조지아(14만t) ▲미시간(4만t) ▲테네시(4만t) ▲켄터키(4만t) ▲오하이오(2만t)에서 증설을 앞두고 있어 내년 말 북미 지역 전해액 생산 능력은 연산 28만t에 달할 전망이다. 

동화일렉트로라이트는 2009년 설립된 파낙스이텍으로 시작됐다. 목재 사업이 주력이었던 동화기업이 2019년 이차전지 시장 진출을 결정해 1200억 원에 파낙스이텍 지분 90%를 인수했고 이듬해 현재의 동화일렉트로라이트로 변경했다. 현재 ▲논산(1만t) ▲중국 톈진(1만3500t) ▲말레이시아(1만t) ▲헝가리(3만6000t)에 전해액 공장을 두고 있다. 미국 테네시주 클락스빌에 연산 8만6000t 규모의 전해액 공장을 내년 3분기까지 짓는다. 완공 후 국내외 전해액 생산능력은 연간 총 15만t에 달할 전망이다.

분리막 제조업체 : SK아이이테크놀로지(SKIET), 더블유씨피(WCP)

분리막은 양극과 음극의 접촉을 막아주고 작은 구멍을 통해 리튬 이온이 이동할 수 있게 한다. 양‧음극이 서로 닿으면 화재의 위험이 있기 때문이다. 현재 대표적인 분리막 제조 기업은 SK아이테크놀로지와 더블유씨피가 있다.

SK아이테크놀로지(SKIET)는 50여 년간의 화학 기술을 바탕으로 국내에선 최초로 세계에서 세 번째로 분리막을 독자 개발했다. 2005년 첫 번째 상업 가동을 시작해 현재 국내 12개 생산 라인을 구축했다. 현재 중국, 폴란드 등 해외 생산거점에서 다양한 IT 기기용 분리막 및 전기차용 분리막을 개발하고 생산 중이다.

더블유씨피(WCP)는 2016년 설립된 기업으로 이차전지 분리막 개발·생산한다. 주력 기술은 ‘광폭 필름’과 ‘듀얼 코팅’ 기술이다. 흔히 분리막은 약 4m의 큰 필름을 주문자의 요구에 따라 재단‧생산한다. 더블유씨피는 세계 최초로 필름 폭을 5.5m로 넓혀 필름 맞춤 제작의 효율을 높였다. 또한 단면 필름 두 장을 코팅할 수 있는 듀얼 코팅 기술을 개발했다. 일반 업체가 1장의 필름을 코팅할 때 2배의 생산성을 낼 수 있다.  [김성태 마켓뉴스 기자]

이차전지 기술 관련 참고자료 출처=LG에너지솔루션, LG케미토피아, 포스코퓨처엠 등 각 기업 홈페이지