전기차 배터리 원료 흑연, '탈 중국화' 성공할까(관련종목 포함 )

 

 

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中, 전세계 흑연 생산량 약 62%...美 등 주요국 대중 수입 의존도 높아
美 내년도 첫 흑연 공장 설립 예정, 韓 인조흑연 테스트베드 구축 실시

전기자동차를 비롯한 2차 전지 등 배터리 수요가 폭증하면서 흑연에 대한 전세계의 관심이 집중되고 있다. 

흑연은 전기자동차용 배터리로 가장 널리 사용되는 리튬이온배터리의 음극 소재다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 에너지 저장을 위해 필요한 광물 전체 수요를 100이라고 가정할 때, 흑연이 차지하는 비중은 무려 53.8%에 이른다. 실제로 전기자동차 배터리 1개당 흑연 함유량은 20~30%에 이르며, 대체품이 없다. 

◇ 수요는 높아지는데 공급은 부족….가격 상승 및 표적 관세 ‘골치’

리튬이온배터리에 사용되는 흑연 수요 전망. 자료=Bloomberg

블룸버그 통신에 의하면, 리튬이온배터리의 수요가 증가함에 따라 2030년 흑연 수요량은 현재의 약 10.5배에 이를 것으로 전망된다. 하지만 전세계 흑연 생산의 거의 대부분을 중국이 차지하고 있어 공급망이 다각화 되지 않은 상태다. 

각국의 흑연 생산량 (단위: 톤). 자료 출처 = 미국 지질조사국 2021

중국은 현재 기준 세계 최고의 흑연 생산국으로 전 세계 흑연 생산량의 약 62%(2020년 기준)를 차지한다. 미국 등 주요국은 흑연 70~80%를 중국에서 수입하고 있다. 중국 이외의 국가에서 흑연이 채굴되거나 제조되는 경우에도 일반적으로 처리 및 정제를 위해 중국으로 보내지는 상황이다.

수요에 비해 흑연 공급이 부족해지면 원자재 가격은 상승하게 된다. 2021년 12월 31일에 발표된 최신 가격 보고서에서 따르면, 천연 흑연의 가격은 톤당 약 650달러다. 2021년 5월에서 2021년 12월 사이에 25% 증가했다.

또한 BMI에 따르면, 등급 흑연의 중국 내 가격은 약 t당 4천500위안(약 83만5천원)으로 연초 이후 약 40% 올라 2018년 이후 최고가에 접근했다. 가격 상승 현상은 현재 수요를 미뤄 볼 때 2022년 초까지 지속될 것으로 전망된다.

사진=코트라

관세 부분도 문제다. 미국 전기차 업체 테슬라는 최근 자국 정부에 중국산 흑연에 대한 관세를 면제해달라고 요청했다. 흑연을 충분히 공급할 수 있는 나라는 중국뿐인데, 중국산 제품에 부과하는 표적 관세 때문에 생산비 부담이 크다는 것이다. 미국에서 배터리 생산 공장을 운영하고 있는 SK이노베이션 역시 중국산 흑연에 대한 표적 관세를 배제해야 한다고 주장했다.

◇ 미국, 중국 의존도 벗어날까? 미시간에 첫 흑연 공장 설립 추진

이러한 상황을 극복하기 위해 글로벌 업체는 중국 의존도를 낮추기 위한 개선 작업을 진행하고 있다. 먼저 테슬라는 호주 광산 업체 시라리소스와 흑연 공급 계약을 체결했고, 홍콩 에너지기업 그래피스는 미국의 첫 전기차 배터리용 흑연 공장 설립을 위해 미국 에메럴드에너지솔루션과 양해각서(MOU)를 교환했다. 그래피스는 이 흑연 공장의 원재료를 중국이 아닌 다른 국가에서 조달하겠다고 밝혔다.

그래피스는 에메럴드에너지솔루션과 합작사를 통해 미시간에 흑연 처리 시설을 건설할 계획이며 가동 시점은 2023년 2분기라고 밝혔다. 그래피스가 중국 이외 지역으로부터 흑연 수입 역할을 맡고, 에메럴드는 음극재용 흑연으로 가공해 배터리셀 완제품 업체에 공급하게 된다. 양측은 첫해 연간 1만톤 규모 흑연재를 생산하고, 이후 연간 2만톤 생산 규모로 늘릴 방침이다.

◇ 한국, 인조 흑연 국산화 위해 270억 원 투입한다

우리나라의 경우도 수입에 의존해야만 하는 상황을 극복하기 위해 인조흑연에 주목하고 박차를 가하고 있다. 인조흑연은 코크스를 결합제와 혼합해 소성 및 가열하여 제조한 흑연으로, 천연 흑연에 비해 결정성이 높아 내부 구조가 균일하고 충방전 수명이 상대적으로 길다. 인조 흑연은 기능면에서 천연 흑연보다 우수하기 때문에 시장 점유율도 천연 흑연보다 다소 높은 상황이다.

현재 우리나라는 인조흑연의 1조 원 규모 국내시장을 전량 수입에 의존하고 있다. 이에 경북도는 지난 11일 인조흑연 국산화 및 양산화를 위해 오는 2025년까지 총 270억 원을 투입해 반도체·이차전지 부품용 인조흑연 테스트베드 구축사업을 추진한다.

이와 관련, 지난 2018년 이공분야 대학중점연구소 지원사업에 선정된 금오공대 신소재연구소는 탄소 연구 전문업체인 ㈜카보랩, 금성테크㈜와 업무협약을 체결하고 소재부품 분야에 대한 기술이전과 공동연구를 진행했다. 그 결과 인조흑연블록 제조용 압출장비(1000톤급)를 국내 최초로 자체 제작해 공동 사업화를 추진 중이다.

금오공대 노재승 신소재연구소장은  "경상북도, 구미시 등 지자체의 적극적인 지원으로 지역 산업단지를 기반으로 하는 인조흑연 국산화 벨류체인 구축에 한걸음 더 다가서고 있다"며 "앞으로도 산학연 협력과 전문 인력 양성을 통해 인조흑연 국산화 시장을 이끌 수 있도록 최선을 다하겠다"라고 말했다. 

 

신에너지차의 핵심부품: 리튬배터리 원부자재(인조흑연과 흑연화 공정) 산업 동향

음극재 공정단계에서 주요 소재는 인조흑연, 중국은 글로벌 음극재 최다 생산국

리튬배터리의 핵심 소재, 음극재의 산업 업스트림 분석

 

음극재는 리튬 배터리 원가 비중의 10~15%를 차지하는 4개의 핵심 원재료 중 하나로, 리튬배터리의 에너지 저장 및 방출의 역할을 수행하고, 또 리튬배터리의 효율, 사이클 성능, 배율 등에 지대한 영향을 미치는 중요한 소재다. 음극재는 크게 탄소재료 혹은 비탄소재료로를 음극 활물질, 접착제, 첨가제 등과 혼합해 페이스트를 만들고, 동박 양 쪽에 고르게 도포해 건조, 롤러 압력으로 형성해 제조한다. 여기서 탄소재료는 주로 천연 흑연, 인조흑연, 복합흑연 등을 포함하는 탄소 기반 시스템을 의미한다. 비탄소 재료는 주로 실리콘 기반 재료, 주석 기반 재료, 리튬 티타늄 등을 포함한다. 이와 같이 리튬배터리의 주 소재인 음극재의 탄소재료 중 인조흑연 음극재가 주요 추세로 떠오르고 있다.

 

<리튬배터리 원가구조>

[자료: 중국산업정보망]

 

음극재의 산업 응용 분야는 주로 전력 배터리, 소비자 가전 및 에너지 저장 장비와 같은 리튬 배터리 분야 등이며, 현재 중국에서 주로 쓰이는 다운스트림 산업은 전력 배터리 및 소비자가전이며, 에너지 저장장치로 쓰이는 비율은 상대적으로 낮은 편이다. 산업 다운스트림의 ‘동력 배터리’는 음극재 수요를 빠르게 증가시키는 주요 요인으로, 2021년 동력 배터리 중 음극재 응용 비율은 56%에 달했고, 이는 2020년에 대비 4% 증가한 수치다. 에너지 저장 설비에서도 음극재의 꾸준한 수요가 이어지고 있으며, 2021년 응용 비율은 10%로 전년 동기 대비 3% 증가했다.

 

<중국 음극재 응용산업 비중>

[자료 : BAIINFO]

 

음극재는 크게 탄소소재와 비탄소재 두 종류로 구분된다. 탄소소재란 탄소기반 체계를 말하는 것으로 주로 천연흑연, 인조흑연, 복합흑연, MCMB(Mesocarbon microbeads), 경탄소, 연탄소 등이 있고, 비탄소 소재는 주로 실리콘 기반 소재, 주석 기반 소재, 티탄산리튬 등이 해당된다. 기술 코스별 제품은 비용량, 일차효율, 사이클 수명, 배율 등 다양한 지표에서 각각 특징이 있지만, 상대적으로 현재 기술 기준으로는 인조흑연의 종합적인 성능이 좋은 편으로 가장 많이 쓰이고 있다. 

 

<음극재 주요 공정재료 도표>

[자료: 중국산업정보망]

 

<음극재의 주원재료 특성 구분>

구분	용량(比容量(mAh/g)	일차효율	사이클수명(회)	안전성	고속충전 특성
천연흑연	340-370	90~93%	＞1000	일반	일반
인조흑연	310-370	90~96%	＞1500	양호	일반
실리콘기반 음극재	380-950	60~92%	300-500	양호	양호

[자료: 중국산업정보망]

 

위와 같은 소재의 우수성으로 인해 인조흑연 음극재는 현재 음극재 시장에서 주요하게 쓰이는 원자재다. 천연흑연 음극재도 일정한 시장 점유율을 차지하고 있고 실리콘같은 신규 소재로 제조된 음극재 또한 이미 소규모로 응용화가 이루어지고 있으나, 성능에 따라 쓰이는 분야에 차이가 있다. 예를 들어 천연흑연 음극재는 일반적으로 3C 소비전자 제품 전지에 응용되며, 인조흑연 음극재는 복합 성능이 비교적 우수해 일반적으로 동력배터리, 중~고가의 3C 소비배터리, 에너지저장 배터리 등의 분야에 응용된다. 특히 전기차 시장의 고속 성장이 이어지면서 최근 몇 년간 인조흑연 음극재의 수요는 크게 증가하는 추세다.

 

2016~2020년 음극재 출하량의 연평균복합성장률은 33%, 인조흑연 음극재 출하량의 연평균복합성장률은 40%에 달해 음극재 출하량 증가 속도보다 높다. 화징연구원 보고서에 따르면 인조흑연 음극재의 시장 비중은 지속적으로 상승해 2016년 68%에서 2020년 84%로 크게 증가했다.

 

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(출처: http://www.sisaweekly.com/news/, 코트라)