2021-08-11] 염블리 pick 보고서 - 삼성증권 2차전지 소재 경쟁 Sodium, LFP, 삼원계 (feat. CATL, Tesla)

 

삼성증권 장정훈, 안재현 - 2차 전지 소재 경쟁 Sodium, LFP, 삼원계 (feat. CATL, Tesla) [08-10]

[보고서 내용]

• CATL의 Sodium 배터리는 저온 특성과 에너지 용량 감안하면 LFP와 경쟁
• Tesla의 LFP 확대 타깃은 EV향 하이니켈 시장이 아닌 ESS 시장
• 한국 2차 전지 산업 Overweight 투자의견 유지

WHAT’S THE STORY?

지난달 2차 전지 배터리 기술과 관련 2가지 이슈는 CATL의 Sodium Battery와 테슬라의 LFP 언급.
글로벌 배터리 1위 업체인 CATL의 새로운 배터리 상업화 선언과 글로벌 전기차 1위인 테슬라의 LFP 확대 적용 선언에 대한 배경 이해 및 2가지 이슈가 기존 2차 전지 산업과 한국 밸류체인에 미칠 영향 고민.

 

 

 

I. CATL의 Sodium Battery 상업화 선언

  CATL의 1세대 나트륨 이온 배터리 - 출처 : https://www.catl.com/en/news/665.html

7월 29일 CATL은 Sodium battery*를 공개하고 AB 배터리팩 솔루션 개념을 선보였고, 23년부터 보급 계획 밝힘.
아직 상용화되지 않아 확인할 수 있는 구체적 데이터가 없기 때문에 기존 리튬이온 배터리와의 비교가 어렵지만, 두 배터리 간의 차이점을 이해하고 향후 리튬이온 배터리 진영에 어떤 영향을 미칠 수 있을지에 대한 점검 필요.

(*Sodium Battery를 본문에서는 LiB(리튬이온 배터리)와 구분하기 위해 SiB로 표기)

 

 

SiB(Sodium ion Battery)란?

Sodium은 화학 원소기호 Na(나트륨)로 Sodium Battery를 나트륨 배터리(전지)로 부르기도 함.

LiB가 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 에너지를 저장하거나 방전을 통해 에너지를 활용하게 되는 것과 마찬가지로 SiB는 리튬 대신 Sodium 이온이 그 역할을 대신함.

하지만, Sodium 이온은 리튬에 비해 입자가 큰 특징이 있어서 LiB와 비슷한 작동원리를 갖지만 일부 재료는 Sodium 이온에 맞게 변경됨.

양극은 층상구조로 다양한 메탈 소재가 검토되는 반면, 음극은 Sodium 입자가 커서 흑연계 소재를 쓰지 못하고 하드카본계가 될 전망.

음극 기판 역시 동박보다 알루미늄이 Sodium 이온에 적합한 것으로 알려져 있으며, 전해질의 경우도 LiPF6가 아닌 Sodium 기반의 NaPF6로 구성됨.

SiB 작동 원리 - 출처 : https://www.mdpi.com/2313-0105/5/1/10

 

 

CATL의 SiB

CATL이 공개한 SiB의 장점

• 저온 성능과 고속 충전에 유리
• 기존 LiB와 보완 사용 가능
• Sodium이 지구 상 여섯 번째로 풍부한 자원

배터리 저온 성능
2차 전지에 많이 쓰이는 리튬이온은 전해질과 양극ㆍ음극에서 움직이는데, 온도가 낮아질수록 전지 내부 리튬이온의 이동 속도가 떨어진다.
이렇게 되면 전지의 내부저항이 증가해 배터리의 전압이 낮아지고, 빨리 닳게 된다.

 

배터리는 왜 겨울에 빨리 닳을까

 

 

 

CATL의 Sodium 배터리 재료 구성 추정

양극	음극	음극기판	전해질
구리-철/망간	하드카본	알루미늄박	NaPF6

 

 

CATL의 Sodium 배터리 특징

셀 에너지밀도 (Wh/kg)	고속충전	열적 안정성	저온특성
160	15분 *SOC 80% 기준	우수	영하 20도에서 방전 유지비율 90%

CATL의 SiB는 온도가 낮은 지역에서의 운송수단이나 다양한 에너지 저장장치에 사용될 수 있을 것으로 기대하는 모습이며, LFP와 비교하면 용량 특성은 떨어지나 고속 충전과 저온 특성 면에서 우수하다는 점 강조.

CATL Sodium-Ion Battery Launch Event

 

 

AB배터리 시스템 솔루션

CATL은 SiB 셀을 공개함과 동시에 BMS 콘셉트인 'AB배터리 시스템 솔루션'을 제안.

배터리 관리 시스템 (BMS: Battery Management System)
전기자동차(Electric Car)나 하이브리드 전기자동차 (Hybrid Electric Vehicle)의 이차전지 전류, 전압, 온도 등 여러 가지 요소를 센서를 통하여 측정하여 배터리의 충전, 방전 상태와 잔여량을 제어하는 시스템으로 전기 자동차 내부의 기타 제어시스템과 연동하여 전지가 최적의 작동 환경을 만들도록 제어하는 시스템

 

온도가 급격히 낮아지는 경우 SiB를 활용해 주행거리 여유를 확보하거나 파워가 필요한 시점에선 LiB에 좀 더 의존하는 등의 형태로, 서로 다른 SiB와 LiB 셀을 섞어 부족한 에너지를 보완함과 동시에 파워나 저온 특성의 이점을 활용할 수 있다는 아이디어는 주목할만함.

상업화에 성공하더라도 패키징 비용 상승과 잠재 고객의 특성에 맞게 커스터마이징 하는 과정에서 경제성 확보 여부가 관건.

 

CATL, 1세대 나트륨이온 배터리 출시하며 최신 혁신 기술 공개

 

메탈 가격의 변동성과 CATL의 선택

CATL의 SiB 상업화 시도 배경

• LiB에 지나친 의존으로 재료 수급 우려가 큼
• 가격 부담이 있는 코발트와 니켈을 줄이면서 상대적으로 에너지 용량에 약점이 생기지만, 가격 대비 성능으로 틈새시장 공략

 

리튬과 코발트는 16년~18년 동안에 각각 4배, 3배 가까이 폭등했던 경험이 있고, 2020년 하반기부터 올해 상반기까지도 각각 135%, 74%의 급격한 상승세를 보였기 때문에, CATL의 SiB는 코발트나 니켈과 같이 상대적으로 고가의 메탈 소재를 배제하는 방향으로 양극재 구성을 최적화하려고 한 것.

 

하지만, 상대적으로 legacy 포맷에 비해 에너지 밀도가 낮기 때문에 약점을 보완할 정도의 이점을 제공하지 못한다면 의미 있는 시장을 형성하기 쉽지 않을 것.

실제 CATL은 SiB의 상업화 계획을 밝혔지만 현시점에서 에너지당 가격(또는 비용)이 어느 정도인지 그리고 얼마만큼 개선할 수 있는지 제시하지 못함.

 

 

 

CATL이 밝히지 않은 cost에 대한 점검

SiB가 아직 양산 데이터를 갖고 있지 않기 때문에 SiB와 관련한 학계의 논문을 참고하여 SiB의 특징과 기존 LiB와의 차이점을 정리해 보면, 이론적으로 SiB는 양극소재나 음극 기판 소재가 저렴한 장점이 있지만 에너지 밀도를 감안한 비용은 삼원계(NCM333)가 LFP와 SiB보다 낮음.

물론 논문에서 검증한 재료 이외의 구성으로 비용 개선이 있을 수 있다는 점은 분명하지만, 그 개선폭이 삼원계의 하이니켈 개선폭을 넘어설 가능성은 낮아 보임.

또 하나 주목하는 것은 SiB의 비용에 영향을 미치는 주요 재료가 양극과 음극에 있는데 양극은 재료 두께, 음극은 하드카본 비용.

 

 

 

SiB가 LiB에 미치는 영향은?

SiB가 CATL에 의해 상업화에 성공한다고 하더라도 리튬이온 2차 전지 내 타깃 시장은 LFP가 될 가능성이 있지만, 하이니켈 삼원계를 대체하기 어려움. (상대적으로 값싼 재료를 쓴다고 해도 kWh당 비용이 현저히 개선되기 어렵기 때문)

양산에 성공하더라도 낮은 에너지 밀도와 출력 특성으로 전기차용 보다 ESS용 시장에서 LFP의 틈새를 파고들 가능성.

에너지 저장장치 (Energy Storage System, ESS)
저장이 어렵고 사용 후 없어져버리는 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 저장ㆍ관리하는 시스템
쓰고 남은 전력을 저장해 두었다가 수요가 많은 시간대나 전기료가 비싼 시간대에 저장된 전력을 사용함으로써, 정전 피해를 최소화하고 전력요금 절약.
또, 발전소에서는 태양광, 풍력, 수력 등과 같이 불규칙적으로 생산되는 신재생 에너지를 저장ㆍ관리하여 신재생 에너지의 이용 효율 높임.

ESS전지 ｜ LG에너지솔루션

삼성SDI ESS(Energy Storage System) - 개요 | 삼성SDI 공식 사이트

 

 

 

 

 

II. 테슬라의 LFP 확대 선언 배경과 의미

지난달 테슬라의 2분기 실적 컨퍼런스콜에서 장기적으로 자사의 배터리 재료 선택에 있어 철 (Iron) 기반이 2/3 정도 될 것이고 나머지가 니켈(Nickel)이 될 것이라고 밝혔는데, 2차 전지 배터리 양극재 용어로 풀어 설명하면 LFP 배터리로 60% 이상을 하이니켈 삼원계가 나머지라는 얘기.
테슬라는 지구 상에 풍부한 자원으로 현재 재료 수급의 불안정성을 해소할 수도 있고, 가격 면에서도 유리할 수 있다는 점을 꼽음.

LFP(리튬·인산철) 배터리
한국 업체의 주력인 ‘니켈·코발트·망간(NCM) 배터리’ 대비 밀도가 떨어지는 대신 코발트가 들어가지 않아 가격 저렴.
안전성도 높지만 무게 대비 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧은 단점.

 

삼원계 배터리
기본적으로 니켈과 코발트를 합성하여 만드는 LCO에 추가로 다른 원소를 합성하여 만든 것으로 세 가지 원소가 들어가서 삼원계라고 함.
국내 업체가 생산하는 니켈·망간·코발트(NMC) 배터리, 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 배터리 등.
에너지 밀도가 높아 1회 충전 주행 가능 거리가 길다는 장점.

 

테슬라 CEO, Elon Musk가 LFP 소재 적용 확대 가능성에 대해 언급한 것은 맞지만 행간의 의미를 보면 공간이나 출력 특성에 크게 구애받지 않는 ESS에서의 LFP를 확대 적용하겠다는 것.

 

지난해 테슬라 배터리 데이에서 배터리가 필요한 2개 의 핵심 시장인 차량과 에너지 시장이 전동화 또는 100% 신재생 에너지로 바뀌는 경우에 각각 10 TWh 씩 필요할 것이라고 주장.
즉 50:50 시장에서 테슬라의 전기차 배터리 전략은 소형 세단의 경우 LFP이고 나머지는 하이니켈을 선택하는 전략인 것.

EV용에서만 보면 하이니켈이 2/3 비중을 차지할 것이라고 보는 이유.

다시 말해 테슬라 입장에서는 ESS를 그동안 삼원계로 써왔다면 향후 LFP로 쓰겠다는 설명이지, 전기차 용에서 하이니켈 배터리를 줄인다는 주장이 아닌 것.

 

 

테슬라 'LFP 배터리' 채택 확대가 불러올 파장은?

중국산 모델3 탑재 CATL LFP배터리, 성능 저하 심각...실제 저온 주행거리, 공식 기록의 절반 - M오토

'삼원계' 수명 다했나?...전기차 배터리 세대교체 움직임

 

 

 

 

III. 한국 2차 전지 산업 시사점

CATL의 SiB 공개와 상업화 전략이 CATL의 배터리 포트폴리오 다변화에 대해 긍정적인 평가를 내릴 수 있을지 모르나 현시점에서 기존 LiB진영이나 한국 배터리 업체들과 소재업체들의 시장점유율에 위협을 준다고 보기 어려움.

테슬라의 LFP 확대 주장은 상대적으로 빠르게 커가는 전기차용 배터리에서 재료 수급의 문제를 해소하고 ESS 시장에서 활용도를 높이는 선택으로 이해하는 게 타당.

LFP는 신재생에너지 보급 확대에 따른 성장 기회는 분명 하나, 전기차용 배터리에서 하이니켈 시장 지위가 바뀐다고 보기 어려우며, 향후 전고체 배터리가 나오면 적어도 하이니켈 양극재 소재 수급 우려는 일정 부분 해소될 가능성 존재.

전고체 배터리
불안정한 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전지.
고체 전해질이 분리막 역할까지 수행하면서 부피를 줄일 수 있고, 안정성을 위한 부품 대신 활물질을 더 채워 넣어 에너지 밀도를 높일 수도 있어 기존 리튬이온 전지의 단점을 극복한 '꿈의 배터리'로도 불림

전고체 배터리란 무엇일까?

CATL의 SiB 상업화 계획 선언이나 테슬라의 LFP 확대 언급으로 인한 한국 2차 전지 산업에 대한 영향은 제한적으로 판단.

 

현시점(8월 10일) 2차전지 셀 업체 탑픽은 삼성 SDI, 양극재에선 에코프로비엠, 음극재 영역에선 한솔케미칼 선호.
동박에선 SKC가 탑픽이고 차선호주로 일진머티리얼즈를 유지.

 

 

삼성 SDI - 2021년 8월 15일 현재 주가

 

 

에코프로비엠 - 2021년 8월 15일 현재 주가

 

 

한솔케미칼 - 2021년 8월 15일 현재 주가

 

 

SKC - 2021년 8월 15일 현재 주가

 

 

일진머티리얼즈 - 2021년 8월 15일 현재 주가

 

 

 

테슬라는 인산철 배터리를 BYD로부터 공급을 받는다는 뉴스 있음.

전체 전기차에서
니켈·망간·코발트(NMC) 배터리가
차지하는 비중이 40% 정도.

LFP 배터리가 늘긴 하겠지만
대부분 ESS(에너지 저장 장치) 쪽에서만 늘 수 있다는 점 참고.

테슬라가 LFP 배터리 채택을 늘린다, CATL 새로운 배터리를 만들었다
이 두 가지 뉴스는 우리나라 업체들에 영향 제한적.
너무 우려할 필요 없음.

한국은 리튬이온 배터리 세계 최강자.

- 염 이사님 코멘트 중 -

 

18:00 삼성증권 2차전지 보고서 소개

 

 

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