에스엠랩(SMLAB): 2022년 상장 예정 2차전지 소부장 스타트업 에스엠랩, 니켈 98%의 하이니켈계 단결정 양극재 개발 성공!

 

배터리(2차 전지) 투자에 관심이 있으신가요? 그럼 에스엠랩(Singular Materials Laboratory, 이하 SMLAB)에 주목해 보시기 바랍니다. 그 이유는 에스엠랩(SMLab)에서 세계 최초로 니켈 함량을 98%까지 높인 ‘하이니켈 양극재’ 개발에 성공했다고 2021년 08월 18일 발표했기 때문입니다. 

성능, 가격, 안정성을 모두 갖춘 양질의 배터리(2차 전지)는 전기차 시대에 필수적인 요소 중 하나입니다. 그래서 이번 포스팅에서는 2차 전지 배터리의 원리와 양극재에 대해서 살펴보고, 하이니켈 양극재 소재 기업 중 단결정 양극재의 선두 기업인 에스엠랩(SMLAB)을 소개해 보려고 합니다.

 

글의 순서
1. 2차 전지란? 
2. 양극재 소재 - 1) 하이니켈 양극재 / 2) 다결정 구조 양극재의 한계 / 3) 차세대 소재, 단결정 양극재 
3. 에스엠랩(SMLAB) - 1) Ni98 단결정 소재 / 2) 에스엠랩의 목표와 전망 

 

1. 2차 전지란?

1차 전지는 시계나 리모컨 등에 넣어서 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 말하고, 2차 전지는 방전 후에 다시 충전해서 반복 사용이 가능한 배터리를 말합니다. 2차 전지는 충전을 통해 500~2000번까지 반복해서 사용할 수 있어서 경제적이고 친환경적이라는 장점이 있습니다. 2차 전지는 대표적으로 스마트폰, 노트북, 태블릿PC 등 다양한 IT 제품에 사용되며, 전기차 등 친환경 자동차 배터리에도 쓰이고 있습니다.

그림 출처 -  https://www.mirae-biz.com/

 

특히, 전기차 시대가 빠르게 다가오면서 배터리(2차 전지)가 더욱 뜨거운 주목을 받고 있는데요, 앞으로 22차 전지에 대한 극적인 수요 증가가 불가피하기 때문입니다. 그런데 배터리를 장착한 전기차의 주행 거리는 사용 시간이 지날수록 짧아질 수밖에 없다 보니 배터리 업계에서는 고효율 배터리 생산에 총력전을 펼치고 있는 상황입니다. 

 

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2. 양극재 소재

2차 전지는 양극재와 음극재·분리막·전해질로 구성됩니다. 양극에 있던 이온이 음극으로 이동할 때 충전되고, 음극에 있던 이온이 양극으로 이동할 때 방전되는 원리입니다.

그림 출처  –  https://media.dongwon.com

 

1) 하이니켈(High Nickel) 양극재 

양극재는 리튬 이온을 생성해 내는 역할을 담당하고, 배터리의 수명과 충전 속도를 결정하는 만큼 2차 전지 가격의 40% 정도를 차지하는 핵심 소재라고 할 수 있습니다. 그래서 배터리 업계에서는 양극재, 그중에서 하이니켈 소재 개발에 혈안이 되고 있습니다. 그 이유는 크게 아래의 두 가지입니다.

 

첫째, 니켈의 함유량이 많을수록 에너지의 밀도가 높아져서 배터리 성능이 향상되기 때문입니다. 양극재에는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등의 복합재가 주로 사용되는데, 니켈 함량이 80% 이상 되는 양극재를 ‘하이니켈 소재’라고 부릅니다. 대표적인 하이니켈 소재로는 NCM(니켈, 코발트, 망간)과 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄)가 있습니다. NCM과 NCA는 기존의 다른 양극재들에 비해 에너지 밀도가 높습니다, 즉 같은 크기의 배터리를 만들었을 때 더 많은 전기 에너지를 낼 수 있다는 뜻입니다. 전기차에 NCM이나 NCA 배터리가 주로 장착되는 것도 이 때문입니다. 대표적으로 미국 테슬라가 NCA 배터리를, 그 외 대부분의 전기차 업체들이 NCM 배터리를 사용하고 있다고 합니다.

 

둘째, 양극재 원재료 금속 중에서 코발트 가격이 가장 비싸므로 니켈의 함유량을 높이고 코발트를 적게 쓰는 것이 사업에 유리하기 때문입니다. 코발트는 희귀 광물로서, 니켈 가격의 2배 이상으로 비쌉니다. 그래서 cobalt-free 배터리에 대한 요구가 커지고 있고, 그 대안으로 니켈 비중을 극대화하고 코발트 비중을 최소화한 하이니켈 양극재가 채택되고 있는 것입니다.     

 

2) 다결정 구조 양극재의 한계

그렇지만 니켈 함량이 높아지면 소재의 구조적 특성상 불안정성이 커질 수밖에 없다고 합니다. 또한 현재 상용되고 있는 NCM, NCA 양극재들이 다결정 형태라는 것도 문제입니다. 다결정 양극재는 아주 작은 입자가 뭉쳐진 구조로서 제조 공정인 압연 시에 입자가 균열되기 쉬울 뿐 아니라, 배터리의 충전이나 방전 과정에서도 리튬 이온의 삽입과 탈리가 반복되면서 입자가 부서지기 때문입니다. 

일상생활에서 스마트폰을 오래 사용할수록 배터리 수명이 감소하는 것은 다결정 양극재의 입자가 붕괴되었기 때문에 나타나는 대표적인 예입니다. 입자가 부서지게 되면 리튬 이온이 통과할 수 없는 부도체층의 두께가 증가하게 되고, 나아가 배터리 셀 내부 저항도 늘어나면서 배터리 수명이 감소하는 것입니다. 또한 입자 붕괴는 배터리 폭발의 원인으로도 지목되고 있습니다. 그래서 업계에서는 단결정 양극재가 이러한 다결정 소재의 한계를 극복할 것으로 기대하고 있습니다.

 

 

3) 차세대 소재, 단결정 양극재 

단결정(single crystal) 양극재는  하나의 입자여서 틈이 없기 때문에 분열이 나타나지 않습니다. 따라서 양극재 입자의 균열로 인한 잔해물과 불순물이 잘 생기지 않아 배터리 수명과 용량이 높아집니다. 보통, 단결정 양극재는 다결정 소재에 비해 강도는 10배 정도 높고, 수명은 최대 30% 정도 오래 간다고 합니다.  또한 가스 발생이 줄어들어서 에너지 밀도도 높고 불필요한 반응이 일어나지 않기 때문에 화재나 폭발의 위험성도 낮아집니다. 

 

단결정 양극재는 배터리 가격 경쟁력 확보 측면에서도 장점이 있습니다. 단결정 양극재의 경우 리튬 혼합, 열처리, 분쇄 등 5단계의 공정을 거치는 데 반해 다결정 양극재는 이 5단계의 공정 이후에도 추가로 5단계(예: 불순물을 물로 씻고  폐수를 처리하는 공정 등)를 더 거쳐야만 소재 개발이 완료됩니다. 즉, 단결정 양극재는 물을 쓰지 않고 건식 제조 공정만으로 생산이 가능하기 때문에 제조 공정을 획기적으로 줄임으로써 폐수처리 비용과 시설 비용이 크게 절약됩니다. 

 

이처럼 배터리의 성능과 효율, 안정성과 가격 경쟁력 모두 높여 준다는 점에서 단결정 구조의 양극재는 차세대 핵심 소재로 주목받고 있으며, 향후 3-4년 내에 그 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 예상되고 있습니다. 테슬라가 지난 2020년 배터리 데이에 발표한 ‘100만 마일(160만 km)’ 계획도 단결정 양극재를 전제로 한 것입니다.

 

그렇다면 국내에서 단결정 양극재 관련 기업에는 어떤 곳이 있을까요? 물론 여러 기업들이 연구 개발에 힘을 쓰고 있지만, 가시적인 성과를 보여 주고 있는 단결정 양극재 기술의 선두 업체는 바로 에스엠랩(SMLAB)입니다. 

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4. 에스엠랩(SMLAB)

에스엠랩(SMLAB)은 2018년 UNIST(울산과학기술원)의 조재필 교수가 설립한 스타트업 기업으로, 단결정 양극재 양산의 핵심 기술을 보유하고 있어 주목을 받고 있습니다. 

조재필 에스엠랩 대표는 미국 아이오와주립대에서 세라믹공학으로 석사와 박사 학위를 받은 후 1996년에 삼성 SDI에 입사, 6년여 동안 연구개발센터에서 2차 전지 양극재를 개발했습니다. 현재는 울산과학기술원 특훈 교수로 재직 중입니다. 조 교수는 2차 전지 핵심 소재 중 하나인 양극재 분야에서 세계적 수준의 석학으로, 한국연구재단이 2019년 선정한 국내 노벨상 근접 과학자 17명에 포함되기도 했습니다.

 

1) Ni98 단결정 소재 

조 교수는 2017년 실험실에서 니켈 함량 80% 이상인 하이니켈계 단결정 양극재 양산 원천 기술을 확보한 후 이듬해 2018년 에스엠랩(SMLAB)을 창업했습니다. 에스엠랩(SMLAB)은 단결정 소재 개발에서 양산까지 자체 기술을 보유하고 있으며, 이미 배터리 제조사인 S사로부터 2차전지 단결정 소재 양산 생산을 위한 품질 검증을 받은 상태입니다.

 

조 교수는 에스엠랩(SMLAB)의 단결정 양극 소재 생산 기술이 세계 최고 수준이라고 자부합니다. 그리고 최근 이를 입증할 만한 획기적인 성과를 발표했습니다. 2021년 8월 18일, 니켈 함량을 98%까지 높인 ‘Ni98 NCMA (NiCoMnAl)' 단결정 소재를 개발했다고 밝힌 것입니다. 기존에 넘을 수 없을 것으로 평가되던 니켈 함량 94%를 넘어 98%까지 높이고 코발트의 함량은 1% 미만으로 줄인 것은 세계 최초로 보고된 것으로, 에스엠랩의 뛰어난 기술력을 보여주는 결과입니다.  실제로 경쟁 업체들에 비해 2년 정도 앞서 니켈 98% 함량 양극재 개발에 성공한 것으로 여겨지고 있습니다.

 

통상적으로 니켈 함량이 1% 늘어나면 소재 1kg당 용량은 2Ah(암페어 시)가 증가한다고 합니다. 즉 니켈 함량을 기존 90%에서 98%까지 높이면 용량이 16Ah(암페어 시) 증가하는 효과를 볼 수 있는 것입니다. 전기차용 배터리에 일반적으로 사용되는 양극재의 양이 100kg인 점을 고려하면,  에스엠랩의 Ni98 단결정 양극재를 사용한 배터리의 경우 1600Ah만큼의 용량이 늘어나게 되고, 이는 그만큼의 주행 거리 증대로 이어집니다.  

에스엠랩은 2022년 초에 Ni98 단결정 양극재의 양산 검증을 할 예정이라고 밝혔습니다. 

 

 

2) 에스엠랩의 목표와 전망 

투자은행(IB) 업계에 따르면  에스엠랩(SMLAB)은 2022년 하반기 기업 공개(IPO)를 계획하고 있다고 합니다.  2차 전지 단결정 소재 분야에서 세계적으로 우위에 있는 기술을 확보하고 있는 만큼 상장 후 에스엠랩의 기업 가치는 1조 원에 육박할 것으로 기대되고 있습니다.   

 

갓 3년 된 스타트업이지만 에스엠랩(SMLAB)은 2018년 8월 창업 한 달 만에 시드머니에 이어 중소벤처기업부의 TIPS 프로그램에 선정돼 5억 원을 투자받아 연 3.6t 규모의 양극재를 생산할 수 있는 파일럿 생산 라인을 구축하였고, 이듬해에는 1월 70억원 규모의 시리즈 A 등 총 136억 원을 투자받아 연 600t 규모의 생산 라인을 확보했습니다. 그리고 2020년 5월에는 한국투자증권 등으로부터 총 520억 원의 시리즈 B 투자를 이끌어 냄으로써 가천 공단의 하이테크밸리에 현재의 본사와 공장을 지을 수 있었습니다. 현재 생산 규모는 연 7200t까지 올라 있으며, 2021년 7월에는 기술보증기금으로부터 예비 유니콘 기업에 선정되었습니다. 그리고 2021년 안에 450억 원 규모의 시리즈 C 투자도 유치해 연간 생산 규모를 총 2만1600t까지 늘린다는 계획을 가지고 있습니다.

 

대형 벤처캐피털(VC)인 한국투자파트너스, DSC인베스트먼트 스틱벤처스 등이 에스엠랩(SMLAB)의 주요 투자파트너들이며, DSC인베스트먼트는 초기부터 지금까지 4차례나 투자를 지속하고 있다고 하니 그만큼 에스엠랩(SMLAB)의 전망을 좋게 보고 있다는 뜻이 되겠습니다. 또한 삼성 SDI는 에스엠랩(SMLAB)의 주요 고객사로서 울산과학기술원(UNIST)과 공동으로 설립한 미래형이차전지연구센터를 통해 긴밀한 협력 관계를 계속 이어가고 있습니다.  

 

 

 

에스엠랩(SMLAB)의 비전은 2030년 매출 3조원, 세계 단결정 시장 30%를 차지하는 배터리 소재의 대표 글로벌 기업으로 성장하는 것이라고 합니다. 이 목표를 달성하기 위해서는 최소한 연간 4만t 규모의 양산 라인을 구축해야 하는데, 앞으로도 3~4년은 걸릴 것으로 보고 있습니다.  에스엠랩은 2022년 코스닥 상장을 통해 추가 투자금을 확보한 후, 월 1000톤 규모의 생산 설비를 증설할 예정입니다. 

 

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마치며

이번 포스팅에서는 2차전지 소재 기업인 에스엠랩(SMLAB)을 소개하고, 에스엠랩에서 개발 및 생산하고 있는 단결정 양극재가 무엇인지에 대해서 알아보았습니다. 지금까지의 내용을 정리해 보면 아래와 같이 요약할 수 있겠습니다. 

• 전기차 시대로의 전환으로 인해 2차 전지 배터리에 대한 수요가 늘고 있음
•  2차 전지 배터리는 사용할수록 효율이 떨어지고, 폭발 또는 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있음. 
• 배터리의 효율과 성능을 높이려면 양극재의 니켈 비중을 높여야 함 (High니켈 양극재)
• 하지만 다결정 구조로 된 양극재의 경우 니켈의 함량이 높아지면 불안정성이 커짐 
• 단결정 양극재를 사용하면 이런 문제가 해결될 수 있기 때문에 향후 단결정 양극재로의 소재 전환이 불가피함
• 그러나 단결정 양극재는 기술적으로 진입 장벽이 매우 높음.  
• UNIST 조재필 교수가 창업한 에스엠랩은 하이니켈계 단결정 양극 소재 개발에 성공한 유일한 기업임.
• 에스엠랩은 단결정 양극 소재 관련 세계 최고의 개발 기술뿐 아니라 생산 기술도 확보하고 있어, 셀 업체들의 높은 관심을 받고 있음.
• 2021년 8월 18일 에스엠랩은 세계 최초로 니켈 함량을 98%까지 높인 ‘Ni98 NCMA (NiCoMnAl)' 단결정 소재를 개발했다고 발표함.
• 이와 같은 앞선 기술력으로 에스엠랩은 VC(벤처캐피탈)로부터 누적 규모 640억 원의 투자를 받아 생산 시설을 확대해 왔음.
• 에스엠랩은 2022년 코스닥 상장을 목표로 IPO 작업을 추진하고 있음.  

 

어떤가요? 에스엠랩(SMLAB)의 미래가 무척 기대되지 않나요? 저는 에스엠랩(SMLAB)이 유니콘 기업으로 성장하고 훗날에는 2차전지 업계에서 세계적인 글로벌 기업으로 우뚝 서기를 바라며 계속해서 관심있게 지켜볼 예정입니다.

 

2차전지 산업에 투자를 고민하고 계시거나 에스엠랩(SMLAB)이라는 기업에 관심을 가지고 있는 분들께 이번 포스팅이 도움이 되었기를 바라며 이만 글을 마무리 짓도록 하겠습니다. 읽어 주셔서 감사합니다.