전기차 배터리 소재와 제조공정 개론 (2020년 특별기획)

안녕하세요. 상한가를 꿈꾸는 월급쟁이 개미 스탁드리머입니다.
연말에 회사일이 바빠서 그동안 포스팅을 좀 소홀히했습니다..

제가 지난달에 연말 특집기획으로 전기차 배터리 관련 업종 및 종목 분석에 대한 예고를 드렸었는데요.

오늘은 그 첫번째편인 전기차 배터리 산업에 대한 개론을 포스팅하고자 합니다.

내연기관차에서 친환경차로의 자동차 산업의 패러다임이 바뀌고 있는것은 언론 등에서 많이 접하셨을 것 같아서 생략하도록 하겠습니다.
결론은 친환경차로 자동차 산업이 전환되면서 전기차 배터리의 수요가 기하급수적으로 증가할 것이라는 것입니다.

전기차 배터리의 수요가 증가하게 되면 이와 관련된 산업인 배터리 소재, 배터리셀 제조장비의 수요도 동반되어 증가하게 되므로,
앞으로 각광받는 산업인 전기차 배터리 산업에 대해 미리 공부해 놓으시면 중장기적인 관점에서 어느 종목 투자해야할지 알 수 있을 것 같습니다.

ㅁ 배터리 종류
전기차 배터리를 흔히 이차전지라고 말을 하는데요, 이차전지란 방전후 충전이 가능한 배터리를 칭하고,
통상 알카라이너 배터리라고 말하는 배터리는 방전시 재충전이 되지 않는 일차전지라고 말합니다.

그리고 이차전지 중에서도 종류가 구분이 됩니다.

- 리튬이온배터리 : 리튬이온의 산화/환원 반응을 통한 전자의 이동으로 전류를 발생
- 전고체배터리 : 기존의 리튬이온배터리에 전해액을 액체가 아닌
고체 분말형태(고체전해질)로 구현하여 적용된 배터리이며,
기존의 리튬이온배터리보다 안정성이 우수하다는것이 장점입니다.
(리튬이온배터리 전해액 : 배터리의 발화,폭발 등의 위험 존재)
또한, 리튬이온배터리가 구현할 수 있는 이론적 에너지 용량 대비
더 많은 용량을 담아낼 수 있는 장점이 있으며, 이는 1회 충전시의
주행거리에 영향을 준다고 합니다.
- 기타 : 태양전지, 리튬-황 전지 등이 있으며,
다양한 유형의 배터리가 개발되고 있습니다.

ㅁ 리튬이온배터리의 구성소재
- 배터리의 종류는 앞서 말씀드린바와 같이 다양하게있지만, 현재 메인 배터리인 “리튬이온 배터리” 기준으로 설명드리도록 하겠습니다.

1. 양극재
: 배터리의 성능을 결정하는 소재로 구성하고 있는 원소재의 종류에따라
NCM(리튬,니켈,코발트,망간), NCA(리튬,니켈, 알루미늄), LFP(리튬,인,철),
LMO(리튬,망간) 등으로 구분이 됩니다.
이 중에는 NCM과 NCA가 양극재 시장을 주도하고 있습니다.
한국, 중국, 일본업체가 시장에서 우위를 차지하고 있습니다.

2. 음극재
: 이차전지 충전시 양극활물질에서 나오는 리튬이온을 받아들이는 소재입니다.
주로 천연흑연, 인조흑연, 실리콘 등으로 구분됩니다.
양극재와 마찬가지로 배터리의 성능을 결정하는 주요 소재에 해당됩니다.
음극재는 원료 및 제조공정 특성상 중국업체가 시장을 주도하고 있으며,
양극재와 마찬가지로 한국/일본/중국업체가 시장에서 우위를 차지하고 있습니다.

3. 분리막
: 양극과 음극이 직접 접촉하지 않도록 분리해주는 역할을 합니다.
양극과 음극이 직접 접촉을 하게 되면, 쇼트가 일어나 배터리 화재 및 폭발에
영향을 줄수 있어서 배터리의 안정성에 기여를 하는 소재입니다.
주된 원료는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌이며, 이 원료를 제조과정을 통해 얇게
늘려서 표면에 세라믹 코팅 등을 처리하여 안정성을 부여합니다.
(얼굴의 개기름을 닦을때 사용하는 기름종이와 비슷한 질감이라고 보시면 됩니다.)
에너지 밀도를 올리기 위해서 분리막의 두께는 얇으면서(7마이크로미터 수준)
안정성은 강화하는 것이 기술의 중요한 점이라고 볼 수 있습니다.
분리막 역시 한국,중국,일본업체가 시장의 우위를 점하고 있습니다.

4. 전해액
: 리튬이온이 원활히 이동을 할 수 있도록 해주는 매개 역할을 합니다.
구성성분은 첨가제,용제 등으로 구성이 되고, 배터리셀의 성능을 보완하고 극대화
시키기 위해 전체적으로 균형을 잡아주는 중요한 역할을 하는 소재입니다.
전해액도 역시 한국,중국,일본업체가 시장의 우위를 점하고 있는데, 다른소재와의
차이점은 전해액에 대한 레시피를 배터리셀 제조사에서 전해액 업체로 지정을 하여
주는 경우가 많다고 하네요.. 각 소재간의 상호작용을 셀 제조사에서 잘 알기때문에
그럴수도 있겠다는 생각도 들었습니다.

5. 집전체(양극.음극)
: 배터리이다보니 양극과 음극이 있을텐데, 집전체는 각 전극의 구조물 역할을 해주는
소재이고, 전자가 이동 할 수 있도록 해주는 매개라고 보면 될 것 같습니다.
통상 양극은 알루미늄 호일, 음극은 구리 호일을 사용하고 있으며, 주방에서 흔히
볼 수 있는 쿠킹호일의 아주 얇은 버전이라고 생각하면 됩니다.
집전체의 경우 양극/음극 모두 소수의 업체가 과점하고 있고, 성능을 구현할 수 있는
업체가 한정적이기 때문에 특정업체로 수요가 집중이 되는 상황입니다.
배터리 산업의 시작 자체가 한국/중국/일본이다보니, 이 또한 주요 소재업체는
한/중/일이 시장의 우위를 점유하고 있습니다.

 

6. 첨가제(바인더, 용제 등)
: 뒤에서 말씀드릴 제조공정을 보시면 알 수 있겠지만, 주요소재들이 분말형태이다보니
이러한 소재가 적절하게 혼합이 되고 구조를 형성하기 위해서는 첨가물이 필요합니다.
소재들의 결합을 보조하는 것이 바인더와 용제와 같은 소재입니다.
첨가제는 배터리 성능을 구현하기 위해서는 중요하지만 함량이 작고,
셀의 재료비에도 지대한 영향을 끼치지는 않아서,
저 같은 경우에는 주식투자를 위해 크게 중요하게 보지는 않습니다.
참고사항으로 바인더의 종류는 PVdF, CMC바인더 같은것이 있습니다.

7. 파우치
: 파우치는 배터리셀의 최외곽에 노출되어 일반인이 유일하게 볼 수 있는
소재 중 하나입니다. 흔히 검색창에 배터리셀을 검색해보면, 은색의 형태를 띈 면이
있는데, 바로 보이는 은색 과자봉지 같은것이 파우치입니다.
파우치의 성분은 알루미늄에 특수코팅을 한 것으로 보면 될 것 같습니다.
파우치는 거의 글로벌 주요 배터리업체들이 극소수의 업체와 거래를 하고 있는
것으로 알 고 있습니다. 일본업체가 메인업체이며, 전해액과 반응하지 않도록
설계되어야 배터리 안전성을 높일 수 있기 때문에 분리막과 유사하게 재료비와
안전성을 중요시 하는 소재입니다.

8. 탭리드
: 탭리드는 셀 내의 여러장의 전극을 하나로 모아서 전류를 외부로 전달하는 매개입니다.
재질은 각 집전체와 동일하게 양극은 알루미늄, 음극은 구리 재질입니다.
하지만 단순하게 금속만 있는 것이 아니라, 파우치와 접합이 될 수 있는 테이프가
있는데, 이종재질 접합기술이 상당히 중요한 소재인 것 같습니다.
파우치와 함게 유일하게 외부에 노출되는 소재이기 때문에 파우치와 탭리드간의 궁합
이 상당히 중요하며, 셀 내부의 소재가 외부로 노출 되지 않도록 기밀작용도
안정성과 밀접한 관련이 있습니다.

9. 테이프
: 배터리셀에도 테이프가 들어가는가 생각이 들 수 있겠지만..
분리막이나 탭리드와 같은 소재에 적용이 되는 소재입니다.
투입되는 소재중에 중요하지 않은 소재는 없지만,
재료비 측면에서 보면 큰 비중을 차지하는 종목은 아닙니다...

ㅁ 리튬이온배터리의 제조공정
- 리튬이온배터리의 제조공정은 크게 세가지로 구분됩니다.
1. 믹싱공정
2. 전극공정
3. 조립공정
4. 활성화 공정

1. 믹싱공정
: 각 공정별 투입재료의 수와 재료비 측면으로 보면 가장 많은 소재와 재료비 비중이
가장 높은 공정입니다. 말이 거창해서 믹싱공정인데, 분말류의 소재들이 혼합 될 수
있도록 섞어주는 공정입니다. 믹싱설비의 경우도, 방앗간에 가면 볼 수 있는
그런 믹싱기와 같은 모양을 가지고 있습니다.
이 공정에 투입되는 재료는 양극재, 음극재, 첨가제류(바인더, 용제) 등이 있으며,
분말형태의 소재는 이 공정에 투입되어 혼합이 된다고 보면됩니다.
양극과 음극을 구성하는 소재가 다르기 때문에 양극용과 음극용 각각으로
구분하여 제조를 하게 됩니다. 믹싱이 완료되면 끈적한 액상의 혼합물이 나오게 됩니다.

2. 전극공정
: 믹싱공정에서 나온 혼합물을 집천에에 도포하여 양극과 음극을 만드는 공정입니다.
믹싱공정의 혼합물을 집전체에 균일하게 도포하는 것이 중요한 공정입니다.
투입되는 소재는 집전체이며, 혼합물을 균일하게 도포 후 열을 가하여 경과시킨 후
롤링을 통해 혼합물과 집전체가 밀착 할 수 있도록 해주는 공정입니다.
대량생산을 위해서는 연속공정이 필요하기 떄문에 통상 집전체가 두루마리 휴지 형태로
공급이 되는데, 이 코일을 풀어가면서 혼합물을 도포하고 압착시킨 후 전극의 모양으로
컷팅까지 해주는 공정입니다.

3. 조립공정
: 믹싱과 전극공정을 통해 완성된 전극을 여러장 적층하고 배터리셀 완제품이 나오는
공정입니다. 투입되는 소재는 전극 외에 분리막, 파우치, 탭리드, 전해액, 테이프와
같은 소재가 투입됩니다.

4. 활성화 공정
: 앞선 공정에서 완성된 배터리셀을 충방전의 반복을 통해 배터리셀을 활성화 시키는
공정입니다. 투입되는 소재는 없네요..


지금까지 배터리셀의 종류, 구성소재, 제조공정에 대해 살펴봤는데요.

사진을 첨부하여 조금 더 이해하기 쉽게 설명드리고 싶었지만, 저작권 문제가 조금 있을것 같아서, 문장으로 최대한 자세하게 설명드릴 수 있도록 노력해보았습니다.
(추후 유튜브에 업로드 할때는 그림으로 그리면서 설명을 드릴 수 있도록 해보겠습니다..)

오늘의 포스팅이 상당히 장문이라 끝까지 잘 읽어주셨을지는 모르겠으나,
후속 포스팅에서 각각의 소재에 대한 설명과 관련종목에 대한 분석을 할 예정이오니,
이 포스팅의 내용을 이해하기 어려우시면, 후속 포스팅을 참고해주시면 많은 도움 될 것 같습니다.

각 소재별 업체와 주가추이 분석은 각 소재별 포스팅을 진행할때에 함께 분석해보도록하겠습니다. 후속 포스팅에 대해 많은 기대와 성원 부탁드립니다.

증권가 전문가 분들이 ‘21년은 친환경차, 자율주행 관련종목이 주도한다고 많이들 말씀하시는데요, 주식매매를 하는 입장에서 이러한 산업혁명과 같은 상황에서 미리 준비를 않할수 없지 않을까 생각이 됩니다..

제 블로그에 오신 분들께서도 성공적인 투자를 위해 미리 준비하셔서 부자가 되시길 기원하겠습니다.

이상, 상한가를 꿈꾸는 월급쟁이 개미 스탁드리머였습니다.