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<자막원문>

진행 한주엽 디일렉 대표

출연 정록환 큐알티 선임연구원

-오늘 큐알티의 정록환 선임 연구원님 모시고 배터리 양극재에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 안녕하십니까.

“안녕하세요”

-양극재. 양극재는 굉장히 중요한 배터리의 요소 중에 하나 아닙니까?

“그렇죠”

-지금 핵심 소재가 네 가지가 있던데.

“양극재·음극재·분리막·전해질. 이 네 가지가 핵심 소재죠”

-양극재가 굉장히 원가에서 차지하는 비중이 제일 높다고 그러더라고요.

“그렇죠. 현재까지는 아무래도 배터리 셀에서 배터리 특성을 좌우하는 게 양극재이고 그 양극재의 많은 기술들이 투여되고 있기 때문에 배터리에서 양극재가 차지하는 가격 비중이 제일 높죠”

-제일 높다. 지금 코스닥 시장에 상장돼 있는 에코프로비엠 또 엘앤에프. 이런 회사들은 그 어려운 양극재 회사임에도 불구하고 시총 2등, 3등 그러니까 코스닥 시총 2등, 3등까지 올라갈 정도로 일반 투자자분들의 관심도 굉장히 높은 것 같은데 최근에 양극재 쪽 분석을 좀 하셨다면서요.

“글로벌 완성차 업체에서 배터리 선행 개발팀을 만들고 배터리 기술을 조금 선행적으로 내재화를 좀 하고자 양극재에 대한 분석 의뢰가 들어왔고 저희가 또 좋은 기회가 되어서 ‘양극재 특성 분석 솔루션’이라고 이름을 지어서 해당 서비스를 셋업을 했습니다”

-분석이라고 한다면 그 양극재 어딘가에서 받아온 양극재를 큐알티로 줬을 거 아닙니까?

“해당 자동차 업체에서 지금 현재 전기차에 적용되고 있는 배터리에 적용된 양극재 제조사로부터 벤더로부터 시료를 획득을 해서 그 해당 시료에 대한 분석을 의뢰를 했습니다”

-양극재는 어떻게 옵니까? 시료는 그러니까 공급할 때 어떻게 옵니까? 그게 뭐 액체입니까? 고체입니까?

“파우더 형태로 오게 됩니다”

-밀가루처럼 이렇게 돼 있는 거죠.

“검은색이고 마치 연필 가루처럼 까만 파우더 형태로 오게 되죠”

-그 시료가 한 군데 업체에서 온 거예요?

“아니요. 총 두 군데 벤더에서 이제 다른 특성을 보이는 양극재 시료에 대해서 의뢰를 받았습니다”

-어디서 받았는지 얘기할 수 있습니까?

“어디서 받았는지 말씀드리기 어려울 것 같습니다”

-그 분석을 맡기면 그 시료가 얼마나 옵니까?

“보통 전체 분석을 하기 위해서는 50g에서 100g 정도”

-얼마 안 오네요? 50g에서 100g 한 이 정도.

“그렇죠. 그냥 파우치에 들어 있는 정도 수준으로 전달을 받고요”

-그거 아껴서 사용해야 되겠는데요? 구하기 되게 어려운 거 아닙니까?

“구하기 어렵죠. 이제 보통 양극재 제조사 같은 경우는 고객사에게 샘플로서 시료를 전달하는 거 외에는 기술적인 보안의 이유 때문인지 시료들을 다른 곳에 뿌리지 않고요”

-그러니까 우리가 어디 슈퍼마켓 가서 무슨 라면 수프 사듯이 이렇게 살 수 있는 건 아닌데. 고객사에서 우리 뭐 한번 샘플 좀 줘보라 하니까 준 거를 이쪽으로 와서 한 건데. 분석을 했다라고 하면 뭐를 분석한 겁니까 안에 시료 안에 어떤 성분이 있는지 이런 걸 분석하신 거예요?

“분석이라고 한다면 크게 세 가지로 말씀드릴 수 있을 것 같은데요. 어떤 성분들이 들어있는지를 보는 성분 분석이라든지 아니면 양극재의 어떤 구조를 갖고 있는지 그러니까 나노미터 아니면 마이크로 스케일 단위에서 어떤 구조를 갖고 있는지에 대한 구조 분석이라든지 그다음에 표면적으로 어떤 표면 처리가 들어갔는지를 확인할 수 있는 표면 분석이라든지 이런 세 가지 분석법들이 주로 활용이 되고요”

-요즘 양극재 하면 하이니켈 이라고 해서 NCM(니켈·코발트·망간) 혹은 NCMA(니켈·코발트 ·망간·알루미늄)까지 해서 NCM811(니켈 비율이 8이고 나머지가 1:1) 아니면 NCM구반반(9 ½ ½) 이런 식으로 또 그쪽 업계에 계신 분들을 표현하는데 구반반(9:½:½) 이런 식으로. 이제 비율을 얘기하는데 실제로 그 비율이 나오던가요?

“고객사에서 저희에게 샘플을 전달해 주면서 양극재 제조사에서 제공한 데이터 시트를 같이 전달해줬는데요. 데이터 시트에 이제 말씀하신 것처럼 NCM811이라든지 NCM구반반(9 ½ ½)이라든지 이런 비율이 적혀 있었습니다. 저희가 실제로 분석을 해보니까 해당 비율과 동일한 결과를 얻을 수 있었습니다”

-동의를 했습니까?

“네”

-그거를 그렇게 알 수 있나 보군요.

“그렇죠. 아무래도 화학 분석 같은 경우는 미량 성분까지 ppm(백만분율), ppb(10억 분율) 단위까지도 분석이 가능하기 때문에 그런 비율까지도 정확하게 알 수가 있죠”

-그러니까 우리가 이 시료를 받아서 이 안에 라면 수프를 뿌려보면 안에 고춧가루 설탕 소금 등등 고춧가루 이런 게 들어가 있다라고 성분이 다 나오고 그 비율까지도 우리가 다 알 수 있는 거예요?

“그렇죠. 그렇지만 이제 말씀하신 사례 같은 경우는 고춧가루라든지 아니면 후추라든지 이런 것들은 원소 단위는 아니고요. 분자나 아니면 고분자를 이루고 있는 단위입니다. 근데 미량 화학 분석 같은 경우는 성분 분석 같은 경우는 원자 단위 레벨에서 파악을 할 수 있고요. 그 외에도 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광법)이든지 XPS(X선광전자분석법)라든지 다른 분석들을 통해서는 말씀하셨던 그런 덩어리 그러니까 분자 덩어리들에 대한 정보를 또 취득할 수는 있습니다”

-아까 그 세 가지 항목에 대해서 이렇게 구조에 대한 거 표면에 대한 거 얘기하셨는데 그 세 가지 안에서도 소분류가 있을 거 아닙니까? 어떤 종류의 항목에서 분석을 하셨는지 대략 어떤 거를 분석하셨어요?

“표면 분석 같은 경우는 대표적으로 XPS(X선광전자분석법), SIMS(2차 이온질량분석), AES(오제전자분광법) 같은 경우가 있고요. 좀 어려운데 XPS 같은 경우는 쉽게 설명을 드리자면 엑스레이 빔을 조사를 해서 튀어나오는 광전자의 에너지를 분석을 해서 특정 원소가 어떤 원소와 결합하고 있는지의 상태를 알 수 있습니다. 그래서 결합 상태에 대한 정보를 얻을 수 있고요. SIMS(2차 이온질량분석) 같은 경우는 1차 이온을 폭격을 해서 뜯어져 나오는 2차 이온을 분석을 해서 어떤 원소들이 있는지 뿐만 아니라 어떤 이온 클러스터 그러니까 말씀드렸던 작용기라든지 분자 단위에서의 덩어리들이 어떤 것이 있는지를 확인을 함으로써 SIMS(2차 이온질량분석) 같은 경우도 마찬가지로 원소 분석뿐만 아니라 어떤 분자 단위의 물질들이 첨가되어 있는지까지도 확인을 할 수가 있습니다”

-그러면 원래 문의를 한, “이거 분석을 해 주세요”라고 한 글로벌 회사는 그걸 왜 뭘 알고 싶어서 그렇게 한 거죠? 이게 데이터 시트에서 나온 게 진짜가 맞나 그걸 확인하기 위해서 분석을 맡긴 겁니까?

“사실 데이터 시트상에서는 이제 많은 정보들이 기술되어 있지는 않습니다. 그래서 기본적인 정보들만 기술이 되어 있고요. 양극재의 특성을 어떻게 개선했냐를 보기 위해서 더 세부적으로 사실 들어가서 더 많은 정보를 취득을 해야 됩니다. 그래서 해당 고객사 같은 경우에는 일단 첫 번째 목표로서는 향후에 배터리 자체 개발을 목적으로 하기 때문에 배터리 기술에 대한 내재화 데이터베이스를 구축을 하고자 일단 특성에 대한 양극재의 전반에 대한 특성 분석을 의뢰를 한 게 첫 번째 포인트고요”

-아니 그러니까 테슬라라든지 폭스바겐이라든지, 죄송합니다. 회사 이름 얘기를 해서 그 그런 회사들도 본인들도 IR이나 이런 데 나와서 “우리가 배터리를 직접 생산을 하겠다”라고 공공연하게 얘기를 해놓은 상태고 그게 이제 배터리를 생산하겠다라고 하는 것은 셀을 얘기하는 걸 텐데 그렇게 소재까지도 내려와서 뭘 보고 있는 거로군요.

“그렇죠. 아무래도 셀 특성과 소재 단위에서의 특성이 밀접한 연관을 맺고 있기 때문에 셀 특성을 개선시키기 위해서는 소재에 대한 이해와 소재 특성 분석이 필수적이라고 할 수 있습니다”

-그 분석 리포트를 만약에 회사 안에 있는 양극재 전문가나 배터리 전문가들이 보면 이 사람들이 보면 흉내라든지 이렇게 할 수 있는 정도의 어떤 힌트를 담고 있습니까? 흉내 낸다? 표현이 좀 이상하지만, 아무튼 캐치업할 수 있는?

“아무래도 양극재에 국한해서 말씀을 드리자면 양극재의 특성을 개선하기 위해서는 도핑을 해서 미량 원소를 첨가한다든지 아니면 표면에 얇은 코팅 막을 만든다든지 함으로써 특성을 개선을 시키는데요. 특성 분석을 하게 되면 아무래도 그런 공개하지 않는 기술에 대한 정보까지도 파악을 할 수 있기 때문에 많은 특성 분석이 이루어지고 있다고 할 수 있죠”

-힌트를 얻을 수 있다라는?

“그렇죠”

-어떤 거에는 코팅을 이렇게 한다든지 우리가 시트에는 적혀 있지 않은 어떤 첨가물이 영 안에는 들어있다든지 그런 정보까지도 다 담고 있는 거군요.

“구조적인 특성을 분석을 할 수도 있고요. 어떤 원소를 얼마큼 도핑했는지 어떤 원소를 어떻게 코팅을 했는지까지도 알 수 있고요. 사실 그런 것들을 공정상으로서 구현하는 데 관련해서는 논문들 같은 경우에도 많이 공정에 대한 얘기들을 하고 있기 때문에. 특성 분석을 통해서 얻은 데이터를 바탕으로 아무래도 그런 힌트들을 얻을 수 있는 것이죠”

-작업 시간 얼마나 하셨습니까?

“최초 의뢰를 받은 이후에 한 6개월 정도 소요는 됐는데요. 아무래도 처음으로 저희도 이제 특성 분석 솔루션 자체를 세팅하는 단계였다. 보니까 6개월 정도 소요가 됐고 현재 저희가 판단하기로는 이제 풀 레포팅을 향후에 진행을 할 때는 2개월 내에 양극재 1개에 대해서 특성 분석이 가능할 것으로 예상을 합니다”

-분석하시면서 이제 양극재 쪽에 대한 지식도 많이 쌓으셨을 텐데 양극재는 어떤 양극재가 좋은 양극재입니까?

“사실 양극재를 판단하는 특성 지표는 여러 가지가 있습니다. 주행거리와 밀접한 에너지 밀도라든지 아니면 출력·안전성·수명 그다음에 충·방전 속도 이런 것들이 있다고 할 수 있는데요. 이것들이 사실 다 어떤 것이랑 연관이 돼 있냐면 전기자동차에서 요구하는 특성들과 연관이 돼 있어요”

-그렇죠. 한 번 충전하면 오래 가야 하고 충전도 빨라야 하고.

“그렇죠. 근데 이제 아무래도 소재 단위에서 해당 특성들을 모두 다 원하는 만큼 달성을 하면 좋겠지만 트레이드오프가 항상 존재를 해서 어떤 특성을 개선을 하게 되면 다른 특성이 안 좋아지는 현상들이 발생을 하고요. 그렇기 때문에 아까 말씀드린 성능 지표들의 어떤 것에 포커스를 맞추냐에 따라서 이런 양극재가 좋은 양극재가 될 수 있고 그러니까 그것에 대한 답이 달라지는 거죠”

-사람마다 다르겠네요. 나는 주행거리에 좀 맞추고 싶어 하면 출력이 좀 떨어질 수도 있습니까? 아니면 다 특성이 다 올라가는 건 아니고 하나가 올라가면 하나는 좀 떨어지는 이런 트레이드오프 관계라는 말씀이신 거죠?

“그래서 NCM계 양극재 같은 경우 층상 구조를 갖고 있는 NCM계 양극재 같은 경우는 에너지 밀도 측면에 포커스가 맞춰진 양극재라고 할 수 있고요. 트레이드오프로서 안정성 측면에서 좀 떨어진다고 할 수 있습니다”

-요즘 그래서 그 리튬 인산철 배터리(LFP) 배터리가 테슬라에서 어떤 스탠더드 모델에는 다 이걸 탑재할 것이다. 이런 식으로 얘기가 나오면서 국내 양극재 회사들의 또 이상하게 주가에 또 영향도 미치고 막 그랬던 것 같은데. 삼원계 배터리에 들어가는 양극재하고 LFP에 들어가는 양극재는 다른 거죠?

“뼈대를 이루고 있는 주요 원소들이 다르다고 볼 수 있습니다. 삼원계 NCM 아니면 NCA계 양극재 같은 경우는 뼈대를 이루고 있는 원소들이 층상 구조를 갖고 있습니다”

-층상 구조.

“층상 구조라고 하면은 2차원으로 평평한 뼈대들이 쌓여 있다고 표현을 할 수 있고요. 이런 경우에는 리튬이온들이 충·방전에 기여를 하게 되는데 리튬이온들이 층상 구조 같은 경우는 많이 들어갈 수 있기도 하고 또 들고 나기가 쉽습니다. 상대적으로. 그렇기 때문에 삼원계 같은 경우에 에너지 밀도라든지 아니면 출력이라든지 특성이 상대적으로 좋다고 할 수 있죠. 근데 LFP 같은 경우는 원자 구조 자체가 인산철 양극재 같은 경우는 원자 구조 자체가 3차원 구조입니다. 그래서 굉장히 단단한 구조를 갖고 있는 대신에 리튬이온이 들고 나기가 어렵죠. 그리고 리튬이온이 들어갈 수 있는 자리도 층상계 대비해서 적고요. 그렇기 때문에 에너지 밀도 측면에서 불리하기도 하고 출력 특성에서 불리하기도 합니다. 다만 구조 안정성 때문에 배터리 셀 단위에서의 안정성이 더 높다고 할 수 있는 것이죠”

-대신 주행 거리는 좀 짧다.

“그렇죠. 밀도가 작게 되면 아무래도 주행 거리 자체가 작아지기 때문에”

-그래서 과거에는 그래서 약간 LFP가 저가 배터리 아니냐 이런 식의 얘기도 있었던 것 같은데.

“그렇죠. 전기 자동차의 특성 자체에 포커스가 주행 거리에 맞춰져 있었다 보니 주행 거리와 직접적인 연관이 되어 있는 에너지 밀도가 높은 층상계 삼원계 양극재가 더 프리미엄급의 양극재로 인식이 됐었고. LFP 같은 경우는 상대적으로 에너지 밀도가 적기 때문에 적은 거리를 갈 수밖에 없고 그래서 저가형이라고 표현을 하기도 했습니다”

-과거에는 그랬는데 요즘에는 화재 사고도 나고 폭발 사고도 나고 그러니까 이제 안전한 배터리 이런 식으로 되고 있는 것 같은데. 국내 업체들도 이제 많이 개발에 나선다고 하니까 그쪽에 대한 연구도 좀 많이 이루어질 것 같군요. 근데 이제 제가 말씀 들으면서 좀 여쭤보고 싶은 것은 이렇게 성분하고 구조 이런 거 다 이렇게 분석할 수 있으면 그건 정말 소재 회사들 입장에서는 별로 안 좋아할 수도 있겠네요.

“그렇죠. 소재 회사들 입장에서는 어쨌든 축적한 노하우들이 공개될 수 있는 것이기 때문에”

-아니 그런 건 특허로 이렇게 좀 걸어놓거나 이러진 않았나요? 오히려 특허를 걸면 그게 노출이 되기 때문에 그냥 쫓아서 하는 경우가 더 많으려나요?

“그렇죠. 특허로 걸어놓긴 했지만 특허 자료들을 보다 보면 굉장히 애매하게 기술을 해놨습니다. 왜냐하면 그 특허 자체가 공개가 되면 기술 유출이 되는 것이기 때문에 그래서 특정 한두 개의 원소를 도핑했다고 했을 때 그 한두 개를 명시하는 것이 아니라 예컨대 20개의 원소를 제시를 해놓고 이 중에 하나 혹은 두 가지 이상 이런 식으로 기술을 많이 하죠”

-그걸 보는 사람들은 경우의 수가 여러 가지가 생기는 거거든요. 하나 혹은 두 개 이상 이런 식으로 해놓으니까. 근데 이제 분석을 해서 다 알 수 있다. 완성차 업체들 단에서의 어떤 이런 양극재뿐만 아니라 음극재부터 여러 가지 다른 소재에 대한 분석이 앞으로 좀 많아질 수도 있겠네요.

“그렇죠. 아무래도 배터리의 특성을 좌우하는 것이 이제 소재들이기 때문에 그리고 아직도 개선될 여지가 많기 때문에 이런 소재 단위에서의 특성 분석에 대한 수요가 굉장히 많을 것으로 예상을 합니다”

-저희가 얼마 전에 포스코 경영연구원의 박재범 수석님께서 나와서 배터리 원재료 광물 전쟁에 대해서 얘기를 하면서 배터리를 둘러싼 전기차 업체·배터리 셀 업체·소재 업체 그리고 광물 업체들의 어떤 뭐랄까요. 서로의 영역을 침범하는 시장 상황에 대해서 한번 설명해드린 자료가 있으니까 그것도 한번 참조를 해주시면 좋겠습니다. 연구원님 오늘 나와서 말씀해 주셔서 고맙습니다.

“감사합니다”

-고맙습니다.

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