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<2023년 신간> 리튬 이차전지용 무코발트(Cobalt-free) 양극 개발동향 및 시장전망

리튬 이차전지는 2010년을 전후하여 전기자동차(EV)에 적용되기 시작하였으며, 현재 “전기 자동차 혁명” 이라고 할 수 있을 정도로 전세계에서 폭발적으로 전기자동차 산업이 발전하고 있으며, 이와 동시에 리튬 이차전지 시장 또한 급속하게 커지고 있다.

전지 시장 확대와 연계하여 전지소재 시장 역시 크게 확대되고 있는데, 다른 리튬 이차전지 재료와 달리, 양극 재료의 경우는 Ni, Co 등의 고가 금속이 사용되기 때문에 가격 문제가 발생할 수 있다. 물론 Recycle 기술이 활성화되어 고가 금속의 재사용이 가능할 수 있으나, 시장이 크게 확대될 수록, 추가로 더 많은 금속이 필요하기 때문에 시장 확대에 걸림돌이 될 수 있다.

전기 자동차의 가장 핵심 성능인 주행 거리는 탑재된 배터리의 에너지 밀도에 의해 결정되며, 배터리의 에너지 밀도는 특히 양극재의 가용 용량과 직결되어 있다. NCM 및 NCA 양극재에서는 Ni 함량이 높아지면 가용 용량이 증가하여 에너지 밀도가 향상된다는 장점을 가지고 있기 때문에  양극재의 니켈 함량을 늘리는 고니켈화 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 니켈 함량이 증가할수록 가용 용량이 증가하는 대신 수명 안정성 및 열적 안정성이 급격히 하락하는 문제가 발생하고 있다.

고니켈화와 더불어 NCM 및 NCA 양극재에서 최근 가장 주목받고 있는 또 다른 이슈는 양극재의 무코발트(Co free)화이다. 코발트는 전기차 배터리 제조의 가장 많은 비용을 차지하는 양극재의 주요 원료이며, 배터리 수요가 급증하면서 코발트의 가격도 폭발적으로 치솟고 있다.

전기 자동차로의 전환이 가속화됨에 따라, 안정적인 원자재 확보 및 저가격화 측면에서 코발트의 사용을 줄이려는 무코발트화 움직임은 배터리 산업에서 새로운 과제로 떠오르고 있다. 따라서  이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서는 가장 가격이 비싼 코발트 금속을 아주 소량 사용하거나(Co-less), 궁극적으로는 코발트를 사용하지 않는 고성능 Co free 양극재료 개발이 필요하다.

SNE Research에 따르면, 무코발트(NMx) 양극재 시장은 ‘22년부터 적용되기 시작하여, ‘23년 전체 양극재 수요의 1%, ‘25년엔 6%, ‘30년엔 12%를 차지할 것으로 전망하고 있다. 한편, 무코발트(NMx)양극재의 가격전망을 보면, ‘23년 $14/kg에서 ‘25년 $12/kg, ‘30년엔 $9/kg으로 하락하여 GAGR -5.5%로 될 것으로 전망되고 있다.

본 리포트에서는 이러한 무코발트 양극재 개발에 관한 전체적인 내용을 기술하고 있으며, 좀 더 자세하게는 Global 리튬이차전지 시장과 EV 시장의 분석, 중국/유럽의 리튬이차전지 시장과 EV 현황을 분석하였고, 리튬이차전지용 양극재 개발동향과 전망을 다루면서, 핵심인 무코발트 양극재 기술개발 동향과 전망을 기술하였다. 특히, 무코발트 양극재 개발 및 적용에 앞서가고 있는 중국업체 및 국내업체의 기술 및 특허까지 분석 범위를 넓혀 가면서 무코발트 양극재의 중요 기술을 파악하고자 하였다.

아무쪼록 본 리포트가 무코발트의 기술 및 앞으로의 전망에 대하여 관심이 있는 분들에게 insight와 통찰력을 제시함은 물론 이를 둘러싼 산업을 이해하는데 큰 도움이 되길 진심으로 바란다.

본 보고서의 Strong Point

① 무코발트 양극재에 대한 전반적인 개요 및 풍부한 기술내용

② 무코발트 양극재의 개발사례를 통한 설계, 합성 시 고려 사항

③ 무코발트 양극재의 개발동향 및 향후 기술 및 시장 전망 제시

④ 비리튬계 무코발트 전지인 나트륨이온전지에 대한 핵심 기술 및 전망 제시

   ⑤ 무코발트 양극재 주요 개발기업 및 연구기관의 특허 분석 

목 차

1. 리튬 이차전지 및 EV 시장 현황

1.1 리튬 이차전지 시장 현황 및 전망

1.1.1 Global 리튬 이차전지 시장 현황-------------------------------------------------------------8

1.1.2 Global xEV 리튬 이차전지 수요 전망--------------------------------------------------------9

1.1.3 Global xEV용 리튬 이차전지 시장 전망----------------------------------------------------10

1.1.4~8 중국의 리튬 이차전지 시장 현황--------------------------------------------------------11

1.1.9~10 유럽의 리튬 이차전지 시장 현황-------------------------------------------------------16

1.1.11 한국의 리튬 이차전지 시장 현황----------------------------------------------------------18

1.1.12 일본의 리튬 이차전지 시장 현황----------------------------------------------------------19

1.2 전기자동차 시장 현황 및 전망

1.2.1 Global 전기 자동차 시장 현황 및 전망----------------------------------------------------20

1.2.2 중국 전기자동차 시장 현황 및 전망-------------------------------------------------------22

1.2.3 유럽 전기자동차 시장 현황 및 전망-------------------------------------------------------26

1.2.4 한국의 전기자동차 시장 현황 및 전망-----------------------------------------------------30

1.2.5 일본의 전기자동차 시장 현황 및 전망-----------------------------------------------------33

2. 리튬 이차전지용 양극 현황

2.1 리튬 이차전지용 양극 개발 현황

2.1.1 리튬 이차전지용 양극 종류-----------------------------------------------------------------36

2.1.2 고전압 양극 기술-------------------------------------------------------------------------38

2.1.3 LFP/LMFP, Blade battery------------------------------------------------------------------39

2.1.4 NCM단결정(Single crystal)----------------------------------------------------------------49

2.1.5 Bimodal기술------------------------------------------------------------------------------52

2.1.6 4원계 NCMA기술-------------------------------------------------------------------------54

2.1.7 전세계 양극재 시장 수요 전망-------------------------------------------------------------56

2.1.8 중국의 양극 종류별 시장규모 예측--------------------------------------------------------58

2.2 리튬 이차전지용 양극 원재료 현황

2.2.1 Co, Ni금속 가격 현황-------------------------------------------------------------------59

2.2.2 Co, Ni 금속 주요국 생산량 및 매장량 현황-----------------------------------------------60

2.2.3 주요국 리튬 생산량 및 매장량 현황------------------------------------------------------61

2.2.4 LiOH, Li₂CO₃ 가격 현황------------------------------------------------------------------62

2.2.5 NCM523/811 가격 현황------------------------------------------------------------------63

2.2.6 Battery가격($/Wh)변동 추이-------------------------------------------------------------64

3. 무코발트(Co-free) 양극 개발 현황

  3.1 무코발트(Co-free) 양극 소재 개요

3.1.1~2 무코발트 양극소재 필요성, 문제-------------------------------------------------------66

3.1.3~4 무코발트 양극소재 분류 및 특징--------------------------------------------------------68

3.2 층상구조 무코발트 양극 소재

3.2.1 층상구조 양극소재에서의 코발트의 역할-------------------------------------------------71

3.2.2 하이니켈 무코발트 양극소재 특징 및 개발 현황------------------------------------------78

3.2.3 NMx 무코발트 양극소재 특징 및 개발 현황-----------------------------------------------90

3.3 비층상구조 무코발트 양극 소재

3.3.1 하이망간계 양극소재 개발 현황---------------------------------------------------------106

3.3.2 올리빈계 (LFP, LMFP) 양극소재 개발 현황----------------------------------------------110

3.3.3 스피넬계(LMO, LNMO) 양극소재 개발 현황--------------------------------------------112

3.3.4 무질서 암염구조 소재 개발 현황--------------------------------------------------------118

  3.4 SVOLT사와 무코발트(Co-free) 사업화 현황 및 전망

3.4.1 SVOLT 양극재 개발 역사-----------------------------------------------------------119

3.4.2 SVOLT 사업영역-----------------------------------------------------------------120

3.4.3 향후 기술개발 계획---------------------------------------------------------------121

4. 비리튬계 무코발트: NiB 개발 현황

4.1 NiB(Na Ion Battery) 개요

4.1.1 나트륨 이차전지 원리------------------------------------------------------------------123

4.1.2 나트륨 이차전지 vs. 리튬이차전지 비교--------------------------------------------------124

4.1.3 나트륨 이차전지의 가격 경쟁력 분석-----------------------------------------------------125

4.1.4 나트륨 이차전지의 주요 재료 후보-------------------------------------------------------126

4.2 NiB 재료 개발 및 현황

4.2.1 나트륨 이차전지용 양극 개발 현황-------------------------------------------------------127

4.2.2 나트륨 이차전지용 음극 개발 현황-------------------------------------------------------131

4.2.3 나트륨 이차전지 개발 현황------------------------------------------------------------137

4.2.4 나트륨 이차전지의 향후 전망-------------------------------------------------------------147

4.2.5 나트륨 이차전지의 리서치사 별 시장 전망-----------------------------------------------150

5. 무코발트 양극재 시장 전망

  5.1 무코발트 양극재 시장 전망(’18 ~ ‘30)

5.1.1 NMx 양극재 시장 전망(1)------------------------------------------------------------------152

5.1.1 NMx 양극재 시장 전망(2)------------------------------------------------------------------153

5.2 무코발트 양극재 수요 전망 (’18~’30년)

5.2.1 NMx 양극재의 수요 전망(1)----------------------------------------------------------------154

5.2.1 NMx 양극재의 수요 전망(2)----------------------------------------------------------------155

5.3 무코발트 양극재 가격 전망 (’18~’30년)

5.3.1 NMx 양극재 가격 전망(1)------------------------------------------------------------------156

5.3.1 NMx 양극재 가격 전망(2)------------------------------------------------------------------157

6. 무코발트 양극재 적용 전지 특허 분석

  6.1 한양대---------------------------------------------------------------------------------159

  6.2 엘지-----------------------------------------------------------------------------------164

  6.3 포스코---------------------------------------------------------------------------------167

  6.4 SVOLT---------------------------------------------------------------------------------171

  6.5 Univ. Texas----------------------------------------------------------------------------175

  6.6 Nano One-----------------------------------------------------------------------------178