이차전지 전해액 관련 정리

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안녕하세요, 엔지니어 TV입니다. 이번에는 엔켐, 덕산테코피아, 솔브레인홀딩스, 그리고 동화기업이 함께 진행하고 있는 전해액 사업에 대해 알아보겠습니다.

 

 

전해액은 배터리의 4대 부품 중 하나로 알려져 있습니다. 양극재, 음극재, 분리막, 그리고 전해액이 바로 그것입니다. 최근에는 양극재에 대한 관심이 높아지고 있지만, 사실 이 4가지 모두가 배터리의 핵심 부품 중 하나로서 중요한 역할을 합니다.

 

특히, 최근에는 전기차의 대량 생산으로 배터리 기가팩토리가 건설되고 있어, 전해액의 대량 생산과 공급이 매우 중요한 상황이 되었습니다. 전해액은 배터리의 전기 전달과 충방전 등에 핵심적인 역할을 수행하므로, 안정적이고 효율적인 전해액 공급은 전동차 산업의 성공을 위해 필수적입니다.

 

이러한 배경에서 엔켐, 덕산테코피아, 솔브레인홀딩스, 그리고 동화기업은 전해액 사업에 참여하여 이 분야에서의 기술적인 혁신과 안정적인 공급망 구축에 주력하고 있습니다. 엔지니어 TV는 앞으로도 이들 기업들의 노력과 혁신을 관심 있게 지켜보겠습니다.

 

 

  

전해액 제조 프로세스는 여러 단계로 구성되어 있습니다.

 

먼저, 특정 물질을 정제하고 적절한 온도로 유지합니다. 대부분의 전해액은 액체 형태이므로, 일정한 무게를 측정한 후 블렌더 탱크에 있는 믹싱 탱크에 넣습니다.

 

이 단계에서도 특정한 순서와 과정이 있습니다. 무엇을 먼저 넣어야 하는지, 파우더로 된 제품이나 소량의 첨가제는 어떻게 처리해야 하는지를 결정하게 됩니다.

 

일정한 액체와 파우더를 특정한 온도와 조건에 맞추어 블렌더 탱크에 넣고 섞습니다. 그 후 불순물 및 이물질을 제거하기 위해 필터링을 거치고 다시 무게를 측정합니다. 최종적으로 패킹을 통해 제품이 완성됩니다.

 

이러한 과정은 액체 약품 제조와 유사하게 진행됩니다. 세균, 바이오 약품 배양 탱크와 같은 구조와 방식으로 작동하며, 물질 투입 전에는 무게 측정이나 분석이 이뤄집니다. 1차 섞기 후에도 분석과 무게 측정이 반복되며, 이러한 작업들이 자동으로 이뤄집니다.

 

현대의 전해액 공장은 사람이 직접 물질을 투입하는 것보다는 자동화된 시스템을 통해 효율적으로 운영됩니다. 최종 단계에서는 사람이 필요할 수도 있지만, 최신 공장에서는 검사 및 분석을 위한 인력이 가장 필요한 부분으로 여겨집니다. 이전에 방문한 전해액 공장에서는 사람이 상대적으로 적게 필요한 구조였습니다. 최근의 고도화된 공장에서는 거의 사람이 필요하지 않은 자동화된 생산 시스템이 구현되고 있다고 보입니다.

 

 

 

메저먼트와 패킹이 완료된 후, 전해액은 핵심 성분을 섞어 액체로 만들어내며, 더불어 실제 필요한 배터리 셀 기업에 안전하게 공급되어야 합니다. 이는 전해액의 특성 상 변질을 허용하지 않기 때문에 매우 중요한 과정입니다.

 

과거에는 소량으로 생산될 때 사용되던 용기는 변질되지 않는 쇠로 만들어져 밀폐성이 강조된 구조였습니다. 리튬을 함유하는 전해액은 수분에 민감하므로, 수분이 전혀 들어가지 않도록 하기 위해 밀폐된 용기에 보관되며, 빛이 비추지 않는 조건에서 제작됩니다.

 

대량 생산이 증가하면서 용기의 크기도 커졌습니다. 이전에는 작업자가 일일이 뚜껑을 여는 수동적인 작업이 있었으나, 노즐을 통해 공장에 바로 연결되는 자동화된 시스템으로 개선되었습니다.

 

현재는 더 많은 배터리 생산과 함께 전해액의 양이 증가하고 있습니다. 따라서 최신 기술은 전해액을 탱크로 직접 공급하고, 배터리 셀 기업에서도 바로 이용할 수 있도록 하는 방식으로 진화하고 있습니다. 이에 따라 운송 중 변질을 방지하기 위해 주입 전에는 검사와 분석을 수행하며, 배터리 공장에 도착하기 전에도 여러 차례 분석과 검사를 거치게 됩니다.

 

전해액 공정은 민감한 물질을 섞는 과정부터 배터리 셀 내부까지 계속해서 밀폐된 환경에서 진행되어야 합니다. 따라서 공장 근처에 위치하는 것이 이러한 비용과 기술적인 측면에서 중요하며, 특히 한국 기업들이 가장 많이 배터리 셀 공장을 짓는 곳이 미국이기 때문에 미국에 전해액 공장을 지어야 하는 필요성이 부각되고 있습니다.

 

   

간단하게 설명하면, 전해액은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 첫 번째로는 유기 용매입니다. 여기에는 EC, PC, DMC, DEC와 같은 석유화학 업에서 널리 사용되는 솔벤트들이 포함됩니다. 이러한 용매가 전해액의 기본 베이스를 형성합니다.

 

두 번째로는 리튬염이 있습니다. 리튬염은 전해액의 핵심 구성물로, 특히 EC, PC, DMC, DEC와 같은 용매와 함께 사용됩니다. 리튬염은 전기화학적 특성을 제어하고 전해액의 안정성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

마지막으로는 첨가제가 있습니다. 이는 리튬염을 기반으로 한 전해액에 특정 특성을 부여하기 위해 첨가되는 물질입니다. 전해액의 특성을 조절하여 배터리의 성능을 최적화하는 데 사용됩니다.

 

요약하면, 전해액은 유기 용매, 리튬염, 그리고 특성을 부여하는 첨가제 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.

 

  

 

 

리튬염은 리튬을 함유한 염을 말하며, 대표적인 것으로는 LiPF6가 있습니다. 현재는 LiPF6가 일반적으로 사용되지만, 최근에는 BF4, LiFSI와 같은 신규 물질들도 도입되고 있습니다.

 

전해액은 기본적으로 용매에 리튬염을 섞은 물질로, 배터리의 종류 및 특성에 따라 여러 종류가 존재하며 지속적으로 발전하고 있습니다. 특성 개선을 위해 첨가제가 사용되며, 이로써 배터리의 특성이 최적화되어 수명이 늘어나거나, 겨울 특성이 향상되거나, 화재 발생이 감소되도록 하는 것이 목표입니다.

 

최근에는 IRA와 AMPC에 대한 혜택도 있어서 솔벤트, 용매, 리튬염, 첨가제 등 전해액에 해당하는 부분에 대한 세제 혜택을 받게 되었습니다. 이로 인해 전해액의 생산 비용의 10% 정도에 대한 세제 혜택이 주어지게 됩니다.

 

전해액은 핵심 광물에 속하며, 인건비, 전기요금, 저장 비용 등의 10%에 대한 세제 혜택이 주어집니다. 이러한 혜택은 배터리 셀 근처에 전해액 공장을 짓는 것을 유리하게 만들어주며, 미국의 경우에는 생산 비용의 10%에 대한 세제 혜택을 받을 수 있어 상당히 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.

 

그림에서 볼 수 있듯이, 미국의 배터리 셀 공장과 양극재 공장, 리튬 공장 등의 현황을 고려할 때, 전해액은 중요한 구성 요소 중 하나로 꼽힙니다. 현재 미국 내 LG, SK, 삼성 SDI와 같은 한국 기업들을 대상으로 전해액을 공급하는 공장이 위치하고 있으며, 이는 배터리 셀 공장 근처에 위치함으로써 효율적으로 운영할 수 있도록 도움을 줍니다.

 

 

여기에 정리된 자료를 바탕으로 미국 진출 기업 중 가장 큰 기업은 LG 엔솔입니다. 현재 가동 중인 조지아 공장을 포함하여 SK이노의 조지아 공장과 솔브레인의 미시간 공장에 납품하고 있습니다. 미래에 가동이 예정된 공장도 현재 지정되어 있으며, LG와 SK는 엔켐과 다수의 계약을 체결하여 현재 공장 가동을 위한 계약이 진행 중입니다. 삼성SDI는 솔브레인과 긴밀한 협력을 유지하고 있지만, 사업이 언제든지 정지될 수 있거나 다른 기업이 참여할 수 있는 상황입니다.

 

동화기업도 현재 SK이노와 테네시 공장을 예정하고 있습니다. 그러나 캐파 용량을 즉시 생산하지 않기 때문에 전해액 공장의 변동이 발생할 수 있습니다. 현재 엔켐이 가장 활발한 사업을 전개하고 있으며, 그 뒤를 솔브레인과 동화기업이 따라오고 있는 상황입니다.

 

전해액 기업들의 미래 전망에 대해서는 리튬염 첨가제와 같은 원가 구조를 갖추는 것이 중요합니다. 현재 미국은 중국산 리튬염과 첨가제에 대한 제한을 두고 있어 자체 생산 시스템을 구축하면 매출과 이익률을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 고체 전해질 개발이 미래에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 고체 전해질이 도입되면 전해액이 사라지게 되므로, 기업은 소재 기업으로서 고체 전해질 생산을 위한 기술 개발과 함께 황화 리튬 첨가제 및 분산제 분야에도 주목해야 합니다. 현재는 미국 내에 공장을 적절히 설치하는 것이 중요하며, 앞으로는 고체 전해질 및 기술 개발 분야에 대한 미래 전략이 있는 기업이 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.