현재 배터리에서 요구되는 가장 큰 핵심기능은 에너지효율과 충전 속도라고 할 수 있습니다. 특히나 충전 속도 해 기술 발전은 기대보다 더 딘 상태인데요. 그래서 배터리 충전 아닌 교체를 택하는 업체들이 늘어나고 있습니다. 현재까지 배터리 스왑서비스로 유명한 것은 중국에 리오였습니다 리오는 중국 내에 수 백여개의 이동식 스왑서비스 센터를 운영하며 배터리 교체를 1분 내에 진행해주고 있습니다.
그러나 실제 경영 전기자동차용 배터리 스왑서비스의 강자는 따로 있었는데요. 바로 타이페이에 본사를 둔 '고고로'가 그것입니다.
고고로는 도시 및 교회 교통수단을 위해 설계된 고속 및 고출력 전기 스쿠터 여러 모델들을 제작하고 있지만 핵심 사업은 교체 가능한 배터리팩을 중심으로 이루어지고 있습니다. 이 배터리들을 스쿠터뿐만 아니라 급속히 증가하는 파트너사 차량 동력을 공급하는 때 주력하고 있습니다.
이미 스쿠터뿐만 아니라 EV차량 업체들은 고고로에 배터리 스왑서비스에 관심을 보이고 있습니다. 특히 야마하와 같은 대기업들은 자신들의 자동차 개발 프로그램을 위한 에너지 스토리지 부분의 고골의 전문지식을 의존하고 있습니다.
최근 코고로는 채 5년도 되지 않아 전기 스쿠터에서 배터리를 교환하는 40만 명 이상의 가입자를 악보 했으며 그러는 동안 회사는 국내 시장에서만 10억 달러 이상의 수익을 올렸습니다 사실상 엄청나게 빠른 성공을 이룬 것으로 대만 내에서는 주유소보다 더 많은 배터리 교환 소가 생길 것이라는 소문도 있습니다.
대만 내 엄청난 성공을 바탕으로 고고로는 최근 이번 분기 말까지 나스닥 거래소에 상장될 예정이라고 합니다. 상장을 통한 충분한 재정이 확보할 경우 고고로의 다음 타겟이 어디가 될지 궁금해지는데요. 배터리 스왑서비스에 성공 모델 확실히 자리매김한 고고로의 거침없는 질주가 앞으로 계속 될지 지켜봐야 할 것 같습니다.
공기아연전지는 이론에너지밀도가 1350 Wh/kg 으로 매우 높고 환경오염성도 상대적으로 낮아 운송용 및 에너지 저장용(ESS)으로 유망한 이차전지의 하나로 평가받고 있습니다. 하지만 짧은 수명과 이론에너지밀도 대비 실제의 에너지 밀도는 200Wh/kg 수준으로 매우 낮아 실용화가 어렵다라는 단점이 있어왔습니다. 이를 개선하기 위해서 새로운 전지 재료의 개발 및 전지 구조를 최적화하고 효율적인 제어 시스템을 구성하기 위해 많은 노력들이 이루어지고 있지만 사실상 대용량 전지의 실용화에는 아직 미치지 못하고 있는 실정입니다.
그런데 최근 상용화를 앞당길 수 있는 기술개발 소식으로 이슈가 되고 있습니다. 그동안 공기아연전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌로 지적됐던 부분이 바로 느린 촉매 반응이었습니다. 촉매반응 속도의 개선은 에너지의 효율성과 관련 돼 있어서 공기아연전지 개발에 핵심적인 부분이었다고 하겠습니다. 이론에너지밀도 대비 실제 에너지 밀도를 높이지 못했던 근본적인 이유로 꼽을 수 있지요.
하지만 최근 업계는 난제를 해결할 실마리를 발견한 것으로 알려졌습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장 연구센터 연구팀들은 공기아연전지의 문제점 중 하나인 느린 촉매반응을 개선시키는 방법을 발견했다고 밝혔습니다.
연구진이 착안한 방법은 바로 태양전지의 반도체 기본 구성단위인 P-N 접합을 이용하여 공기아연전지를 만들었고 그 결과 약 7% 가량 증가된 에너지밀도와 334시간 동안 1,000번 이상의 충.방전 싸이클을 가능하게 했습니다. 이는 현재까지 확인된 촉매들 중에서 가장 우수한 성능이라는 것이 연구팀에 설명입니다.
실제 앞서 말한 바와 같이 공기아연전지가 상용화될 경우 높은 에너지밀도와 낮은 폭발위험성 및 오염물질을 배출하지 않는 친환경성과 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 아연과 공기를 이용하기 때문에 배터리 제조비용을 획기적으로 낮출 수 있다라는 장점이 있습니다. 이에 따라 업계에서는 공기아연전지의 상용화에 매우 큰 기대를 걸고 있습니다.
이번 연구팀의 결과를 통해 공기아연전지의 상용화에 한 발짝 더 다가섰다고 할 수 있겠습니다. 배터리에 있어서 사용되는 재료가 나트륨이나 공기 등과 같이 비교적 쉽게 확보가 가능한 원재료는 원가경쟁력 측면에서 매우 중요한 부분이라 하겠습니다. 보다 손 쉽게 확보가능한 원재료는 앞으로도 배터리 경쟁에서 매우 중요한 부분을 차지할 것으로 예상됩니다.
국내 연구진들의 뜨거운 연구결과들이 하나 둘 드러나고 있어서 향후 차세대 배터리의 핵심역할 역시 한국이 이어갈 전망입니다.
유럽의 자존심이라고 할 수 있는 유일한 배터리 제조업체인 노스볼트는 스웨덴의 폐쇄된 제지 공장을 기가팩토리로 전환 할 계획이라고 합니다.
노스볼트는 스웨덴에 위치한 '스토라엔소' 제지공장을 매입하여 배터리 셀이 생산 가능하도록 전환하여 최대 100GWh의 양극재를 생산할 계획입니다. 노스볼트가 스웨덴 '올링게' 있는 크반스베덴 제분소와 주변 공업지역을 인수하는 내용의 의향서를 체결했다라는 소식입니다. 노스볼트에 따르면이 공장은 2024년 말까지 첫 가동에 들어가 최대의 1,000여명을 고용할 것으로 예상되며 개발이 완료될 경우 배터리 생산능력은 100GWh에 해당하는 양극재를 생산할 수 있게 될 것이라고 합니다. 여기에서 생산되는 양극재는 볼렝게의 전용 배터리 생산시설의 배터리 셀 제조 시 사용될 예정이며 다른 노스볼트 시설에도 공급될 예정입니다.
노스볼트에서 인수한 이 공장 부지는 에너지와 공업용수 또한 생산 노하우 등을 두루 갖춘 기가팩토리 부지로 최적지로 평가받고 있습니다. 노스볼트는 크반스베덴 지역을 글로벌산업 중심지로써 키우려는 계획을 가지고 있다고 발표했습니다.
이번 노스볼트에서 인수한 스토라엔소 제지공장은 1900년대에 설립되어 21년 문을 닫을 때까지 펄프와 종이를 생산했고 400여명의 직원들이 일했던 곳이라고 합니다.
노스볼트는 2021년 12월말 스웨덴 스켈레프테오에 위치한 에트공장에서 첫 배터리 셀을 생산했고, 지난 2월 초 볼보와의 셀 합작 공장인 볼보 '토르스란다' 공장에서 멀지 않은 예테보리의 건설 될 것이라는 발표를 하기도 했습니다. 노스볼트 세 번째 스웨덴 배너리 셀 공장은 25년 가동을 시작 할 예정이며 생산능력은 최대 50GWh 예상되고 있습니다.
배터리의 4대 핵심소재인 양극재와 음극재, 분리막 전해 중 가운데 원가 비중은 양극재가 40% 내외로 가장 큰 부분을 차지합니다. 전기차 사업의 확장으로 전기차 제조업체들의 배터리 셀 단가 압력은 더욱 거세지고 있습니다. 그에 따라 하위의 배터리 셀 재료 공급사들의 고민도 더욱 커지고 있는데요. 특히나 비중이 큰 양극재 업체에 고민이 더 클 것으로 예상됩니다.
결국 양극재 업체가 이러한 위기를 극복하기 위해서는 더 고부가가치 제품과 다양성을 확보하는 수밖에 없다고 생각합니다. 따라서 하이니켈 제품군을 확대하고 현재보다 좀 더 고효율 제품군을 다양화하는 방안을 양극재 업체에서 고민하고 있는 것으로 알려졌습니다.
국내 양극재의 대표 업체인 에코프로비엠은 니켈, 코발트, 알루미늄(NCA) 니켈, 코발트, 망간(NCM)과 함께 제품군을 한층 다양하게 구성하기 위해에 NCMX 양극재의 양산을 늦어도 내년 초를 목표로 진행하고 있습니다. 생산량은 약 500~1,000톤 정도로 알려졌습니다. 에코프로비엠은 지난 1월 오창 공장 폭발사고로 인해 한동안 공장가동이 중지되어 전체 생산라인 가동의 조정을 진행 중에 있습니다.
최근 배터리 핵심소재 가격의 폭등과 거기에 맞물려 러시아-우크라이나 사태로 인해 향후 소재 가격에 불확정성이 더 커지면서 사원계 양극재의 역할이 더욱 중요해지고 있다라는 판단입니다. 앞서 말한바와 같이 배터리 셀 제조업체들의 단가인하 압박이 거세지고 있어서 하이니켈 양극재와 같은 고부가가치 제품의 중요도가 더욱 커졌기 때문입니다. 하이니켈 양극재로 에너지 밀도를 높이면 그만큼 양극재의 사용기준량을 감소시킬 수 있기 때문에 배터리 업체에 있어서도 매우 중요한 사안이라고 하겠습니다.
국내에서는 엘앤에프 생산하는 니켈,코발트,망간,알루미늄(NCMA)의 4원계 양극재가 있었지만 이와 차별화를 위한 다양한 조성 개발은 앞으로도 활발해질 것으로 예상됩니다.
천덕꾸러기 취급을 받았던 폐배터리에 대한 시선이 달라지고 있습니다. 과거 처리를 위해선 폭발 위험을 감수해야만 했고 실제로 회수를 위한 처리를 하더라도 그다지 건질 것이 없다라는 문제 때문에 쓰레기 산업으로 취급되었지만 최근 전기차 보급 확산과 코로나와 SCM 이슈 등으로 원자재 값이 급등하면서 이를 바라보는 시선이 달라진 것이죠.
한국환경연구원에 따르면 올해 1000개 미만인 국내 폐배터리는 전기차 확대와 함께 25년 8300여개로 증가하고, 29년이면 8만개까지 급증할 것이라는 전망입니다. 글로벌 기준으로는 2030년 414만 개에 달할 것이라는 예측도 나오고 있습니다.
폐배터리의 처리 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 재활용과 재사용이 그것입니다. 재사용은 초기 용량의 70~ 80% 수준으로 감소한 폐배터리의 용량을 그대로 이용하여 에너지 저장장치(ESS)나 캠핑용 충전기 등 다른 아이템으로 사용하는 것을 의미합니다.
반면 재활용은 배터리를 분해하여 분말로 만든 다음 코발트나 리튬과 같은 금속재료를 추출 하는 것인데요. 채굴한 원재료에 얼마나 근접한 수준의 순도로 금속을 추출하는가가 바로 기술의 핵심이라고 할 수 있습니다.
최근 전기차 수요의 증가 및 코로나로 인한 공급이슈 거기에다 러시아 우크라이나 사태까지 더해져 배터리의 핵심 원재료 값이 천정부지로 상승했습니다.
한국광물자원공사에 따르면 지난 1년 동안 니켈 값은 99%, 코발트는 54%, 탄산리튬 가격은 500% 나 올랐다고 합니다.
따라서 국내에 배터리 제조사들도 제조와 판매 이후의 단계에까지 관심을 쏟고 있습니다.
LG 에너지솔루션은 LG 화학과 미국 배터리 재활용 업체인 '라이사이클'과 600억원을 투자해 지분을 확보했고 이 업체로부터 폐배터리에서 추출한 니켈 2만톤을 10년간 공급받을 예정이라고 합니다. 삼성 SDI도 폐배터리 업체인 '피엠그로우' 와 지분투자를 체결했고 포스코는 중국 '화유코발트'와 조인트 벤처를 설립해서 배터리 재활용 공장을 직접 건설 중에 있습니다.
폐 배터리는 과거 천대받던 입장에서 벗어나 제 2의 금광과 같은 대우를 받게 되었습니다. 한정된 자원을 최소한으로 사용하고 재활용함으로써 배터리 산업이 진정한 친환경 기업으로 남을 수 있도록 선순환 사이클이 이루어지기를 기대해 봅니다.
시장조사업체 아마다스 인텔리전스에 따르면 지난해 전기차용 배터리 중에서 리튬 이온 배터리 (NCM, NCA)의 점유율이 80%를 차지 했고 니켈을 쓰지 않는 리튬 인산철 배터리(LFP)의 점유율을 20%로 나타났습니다.
작년 배터리 생산량 286.2 GWh 중에서 양극재의 니켈 함량이 60%가 넘는 3원계 배터리는 154 GWh(54%) 인 반면 니켈 함량이 60% 이하인 삼원계는 68 GWh(24%)였습니다.
생산량의 대부분은 삼원계 배터리를 주력으로 하는 한국과 일본 회사에서 생산한 배터리라고 합니다.
반면 중국 업체가 주력으로 생산하는 리튬인산철 배터리는 57 GWh(20%)로 국내 업체가 추정한 시장점유율인 30% 수준보다 크게 낮은 것으로 나타났습니다. 이는 에너지 밀도가 낮은 점이 반영되지 않은 결과로 풀이됩니다.
업계에 따르면 글로벌 전기차 시장에서 LFP 배터리 비중이 25 ~ 30% 이상으로 알려진 것은 에너지 밀도가 낮기 때문에 실제 에너지 용량으로 따지면 점유율은 이보다 적은것이라고 하며 실제 에너지 효율은 에너지밀도와 무게에 가장 큰 영향을 받는 만큼 리튬인산철배터리의 경쟁력은 여전히 높지 않다고 하겠습니다.
지난해 생산된 배터리의 케미스트리 중 3원계의 배터리가 전기자동차용으로 80%이상을 차지했다는 것은 그만큼 모빌리티에 있어서 안정성도 중요하지만 중량 대비 효율을 무시할 수 없다라는 반증입니다. 전기차량에 있어서 기존 내연차량 수준과 동등한 주행거리를 확보하기 위해서는 LFP 케미스트리는 해법이 아니라고 판단하는 것이죠.
따라서 올해 이후에도 3원계와 LFP의 대결에서 비중의 역전현상은 없을 것으로 보입니다.
최근 예상을 뒤엎고 중국의 CATL이 미국 본토에 투자를 하겠다는 발표가 있었는데요. 이로 인해 언론에서는 미국시장에서 삼원계와 LFP의 격돌이 이루어질것이라 대서특필하였습니다.
하지만 저의 생각은 조금 다릅니다. 지난해 이런 수치들이 보여주듯이 CATL 역시 전기차 시장을 정조준하고 있는 만큼 LFP 생산에만 머물러 있지 않을 가능성이 높습니다. 그러므로 언론이 예상하는 삼원계 vs LFP의 대결이 아닌 삼원계 간의 대결이 될 공산이 크다고 생각합니다.
하지만 어찌되었든 대결은 피할 수 없는 현실이며, 다만 앞서서 삼원계 기술과 특허로 무장한 K-배터리의 우세를 점쳐 봅니다.
그것은 바로 인도일 것입니다. 중국에 버금가는 인구를 자랑하지만 아직까지 자동차 및 산업의 인프라 구축 속도는 한참 뒤쳐진 것이 사실입니다. 그러나 이런 인도시장은 앞으로 배터리 전기차의 최대 격전지가 될 것이 분명합니다. 그러나 인도의 전기 모빌리티 분야의 가장 큰 걸림돌 중에 하나는 차량 전원을 공급하기 위한 배터리의 기본 구성 요소인 리튬 이온 셀을 인도 내에서 생산 할 수 없다는 것입니다. 현재 인도에서 생산되는 전기차에 배터리 셀 공급은 중국과 대만에서 이루어지고 있습니다.
인도에는 리튬이 필요하기 때문에 양극 제조사가 없습니다. 인도에서 원료의 희소성과 양극을 제조할 수 있는 기술적인 전문성이 부족하다는 점이 가장 큰 원인으로 지목되고 있습니다. 대부분 중국에 의해 의존하고 있어서 저품질의 배터리 셀을 수입할 수 밖에 없는 구조이죠.
이러한 상황을 타개하고자 인도에서 하이데바라드 소재 천연자원 회사인 알록스(Allox)는 인도에서 생산되는 배터리 셀을 개발하고 있습니다. 케미스트리는 현재 중국에서 가장 왕성하게 생산하고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리입니다. 잘 알려져 있다시피 LFP배터리는 에너지 효율은 그다지 크지 않지만 열적 안정성이 우수하며, 저렴하다는 장점을 가지고 있습니다.
LFP 배터리에 사용되는 리튬은 광산에서 탄산리튬과 수산화리튬으로 가공해야 하는 염이나 단단한 암석의 형태로 채굴 되는데, 이때 탄산 리튬의 강도는 에너지의 수정과 절연 및 내열 기능을 좌우하게 됩니다.
알록스는 남아메리카 전역에 파트너 광산에서 양질의 배터리급 탄산리튬을 수입하고 있으며 인도로 들여와 특허 과정을 통해 LFP배터리 셀을 생산하고 있습니다.
알록스에서는 배터리 케미스트리 중에서 리튬인산철이 가장 인도의 조건에 적합한 조성이라고 생각하고 있습니다. 최근 에너지 효율이 높은 리튬망간코발트(NMC) 계열은 열대기후에서 열 안전성을 확보하지 못해서 배터리 화재의 위험성에 노출될 수 있다고 판단하기 때문입니다. 또한 인도는 리튬을 제외한 산화철과 인산염, 흑연과 같은 LFP를 만드는데 필요한 원재료를 이미 풍부에 확보하고 있다는 점도 알록스가 리튬 인산철 배터리에 매달리는 이유 중 하나입니다.
과거 중국 CATL이나 BYD 등이 내수 시장을 기반으로 탄탄한 기술력과 매출을 동시에 확보할 수 있었던 점을 미루어 볼 때 인도 역시 충분한 가능성을 가지고 있다고 생각합니다. 인도의 CATL 은 아마도 알록스가 될 가능성이 매우 높아 보이네요.
전동차 배터리 일을 이끌어 가는 글로벌 스타트업 중 퀀텀 스케이프를 모르는 분은 없을 것입니다. 퀀텀스케이프는 기존 리튬이온 배터리 케미스트리로 날씬하게 어려우니 고속충전 능력과 고밀도 효율을 통해 주행거리를 확대하는데 자신들의 리튬금속 배터리 기술을 적용하고 있습니다. 이미 완성차 업체의인 폭스바겐의 전폭적인 지원을 받으며 다양한 성과들을 발표하고 있는데요.
그런 퀀텀스케이프가 일본의 교토에 사무소를 두고 아시아태평양 지역으로 그 영역을 확장했다는 발표가 있었습니다. 교토의 새로운 건물에는 배터리 연구개발을 위한 최첨단 연구소가 들어설 예정입니다.
수 십 년간 일본은 배터리 과학 과학 개발 및 제조 분야에서 뛰어난 명성을 유지해 온 곳입니다. 따라서 배터리 연구를 위한 인프라와 인적 네트워크가 매우 발달한 곳이지요. 아시아에서 배터리 연구와 관련된 가장 우수한 인력과 환경을 제공할 수 있는 국가입니다. 바로 여기에 퀀텀 스케이트가 첫 번째 사무소를 일본에 열려는 이유가 있습니다.
이미 퀀텀스케이프는 엔지니어 및 과학자로 이루어진 팀을 구성하기 시작했으며, 연구센터는 교토에 있는 연구 단지에 위치할 것으로 보이며 올해 말 가동을 예상하고 있습니다.
LG 엔솔과 삼성SDI가 원통형 소형전지(21700)의 차기모델을 연내 생산한다는 소식입니다. 차기모델의 에너지 밀도는 최소 5.3Ah에서 5.6Ah급이 유력한 것으로 보입니다. 기존의 같은 규격의 원통형 전지 안에 17.7~18.5Wh의 전기 용량을 담았으나 앞으로는 19.6~20.7Wh로 약 10 ~12% 수준의 에너지 밀도 향상이 예상된다고 합니다.
예를 들어 배터리 용량 90KWh급 전기차를 생산한다고 할 때 기존에는 5000개 정도의 원통형 배터리를 사용해야 했다면 용량 향상에 따라 1000개 적은 4000개 수준의 배터리만으로 가능해 진다는 의미입니다. 이로 인해 차량의 경량화는 물론 차량 내 공간 활용성도 대폭 개선이 가능하다는 장점이 있습니다. 당연히 중량감소에 따른 EV 에너지 효율도 개선될 것으로 보입니다.
현재 테슬라가 원통형 배터리 (4.8~5.0Ah)를 채택하면서 루시드 모터스와 리비안과 같은 스타트 업은 물론 볼보, 재규어, 랜드로버 등 글로벌 완성차 업체들도 대거 원통형 전기의 채택을 확대하는 분위기 입니다.
2. 솔루스첨단소재 캐나다 동박공장 7월 착공
솔루스 첨단소재의 캐나다 퀘백 동박공장이 올 7월 착공에 들어간다는 소식입니다. 솔루스 첨단소재가 매입한 퀘백주 그헝비 소재 공장부지에서는 연간 6 만톤 규모 동박이 생산 가능합니다. 이번 캐나다 동박 1 공장 우선 착공을 통해 연 17,000톤 규모 동박 생산이 가능하다고 합니다.
3. 롯데캐미칼 배터리 관련사업 박차
롯데케미칼이 최그 계열사인 롯데정밀화학의 주식 600억원어치를 매입했습니다. 이는 배터리 음극박 사업을 추진중인 롯데정밀화학에 대한 롯데케미컬의 경영권을 강화하고 이를 통해 배터리시장 공략을 가속하려는 전략으로 풀이됩니다.
롯데케미칼은 롯데정밀화학, 롯데알미늄과 함께 롯데의 배터리 사업을 이끌고 있습니다. 이미 롯데케미칼은 분리막 소재와 전해액 사업을 맡아 서산 대산공장에 6000억을 투자하여 배터리 전해액 유기용매공장을 신설하겠다고 밝혔습니다. 유기용매는 전해액 원가비중의 약 30%를 차지하는 재료이지만 전량 수입에 의존하는 소재로 롯데케미칼은 이번 투자를 통해 배터리 부분 관련 사업의 경쟁력을 제고하고 소재 국산화에도 박차를 가하겠다는 의도입니다.
또한 롯데알미늄과 롯데정밀화학은 양극재 소재인 양극박과 음극재 소재인 음극박사업을 준비중으로 롯데알미늄은 양극박을 생산하는 헝가리 공장에 1100억원을 투자했고, 롯데정밀화학은 음극박 생산기업인 솔루스 첨단소재에 2900억원을 투입한 상태입니다.
전기차의 성능 향상을 위한 방법 중 배터리 기술이 핵심 차별화 요소가 된 지 오래입니다. 배터리 팩을 제외한 대부분의 EV 파워트레인의 효율은 이미 95%이상 도달하여 이제는 배터리의 기술 수준이 곧 전기차의 경쟁력이 되었습니다.
배터리 셀의 전극이나 케미스트리를 조정하거나 배터리 팩 내에서 셀의 크기와 레이아웃, 구조를 최적화하는 등의 노력을 우리는 점진적인 개선을 이룰 수 있었습니다. 그러나 전고체배터리가 약속하는 성능 향상과는 비교도 할 수 없을 만큼 미미하다 하겠습니다.
잘 알다시피 전고체 배터리는 일반 리튬이온배터리와 동일한 화학반응을 이용하여 에너지를 저장하고 방출합니다. 차이점이라면 양극과 음극을 분리하고 리튬이온을 이동시키는 매질인 전해질이 고체라는 점입니다. 기존 리튬이온배터리는 전해질로 리튬염을 사용하는데 반해 전고체배터리는 세라믹 또는 폴리머, 유리를 사용합니다.
전해질이 액체가 아닌 고체일 경우 다양한 장점을 가지게 됩니다.
기존 액체전해질을 사용하는 이차전지는 외부 데미지나 덴드라이트로 인한 분리막 손상으로 리튬이온의 갑작스런 이동을 유발하고 그로인한 주울열의 상승과 함께 화재를 유발하게 됩니다. 그러나 고체전해질의 이차전지는 이러한 메커니즘의 화재유형에서 자유로울 수 있습니다. 이뿐만 아니라 배터리의 중량감소와 더 높은 에너지밀도로 팩 사이즈를 줄여 디자인적인 자유도를 가질 수 있게 합니다. 전체적인 성능향상은 물론 중량과 사이즈를 줄일 수 있는 것이지요.
이러한 많은 이점에도 아직까지 전고체배터리를 양산하고 있는 업체는 없으며, 대부분 개발단계에서 테스트 샘플수준에 머무르고 있습니다.
전고체배터리의 양산은 왜 아직까지 실현되지 못한걸까요?
전해액을 고체화한다는 것은 생각만큼 쉬운일이 아닙니다. 고체상태의 파우더를 배터리 파우치에 충진시킬때 배터리내부에 공간(void)이 발생하게 됩니다. 또한 고체화 된 전해질 사이를 리튬이온이 이동할 수 있는 충분한 경로를 확보해야 하는데 이를 위해선 양극재와 전해질 리튬음극의 정밀한 믹스기술이 필요하게 되며 이는 엄청난 공정개발비용을 유발하게 됩니다. 또한 현재 액체전해질보다 1,000배이상 비싼 생산비용도 문제입니다. 만일 혁신적인 공정기술의 확보를 통해 비용문제를 해결하더라도 전고체 중 유력한 전해질인 화화물계 고체 전해질 시 발생되는 황화수소와 같은 유독가스의 발생을 처리하는 방안도 골칫거리입니다. 한마디로 현재 액체 전해질의 이차전지에서 전혀 문제 안되는 부분들이 모두 기술적인 장애물로 작용하게 되는 것이죠.
이처럼 장.단이 확실한 전고체배터리는 앞으로 배터리업체들이 지향해야 하는 목표인 것은 확실합니다. 관건은 누가 선점하는가 하는 것인데 현재로서는 일본의 도요타가 가장 일찍 시작한 만큼 그동안 많은 연구결과를 확보한 것으로 보입니다. 지난 여름 놀랍게도 전고체 배터리를 탑재한 시작차량을 선보이기도 했는데요. 결국 리튬이온배터리 관련 기술수준의 포화로 업체 간 차별화가 미미해지고 있는 지금 전고체배터리는 진정한 배터리 시장 최강자가 누구인지를 일깨워 줄 수 있는 척도가 될 것 입니다.
전 세계 전기차 배터리 시장이 2021년 두 배 이상 성장했지만 모든 배터리 제조사가 이처럼 고성장을 이룬 것은 아닙니다.
배터리 전문조사 업체 SNE리서치에 따르면 21년 등록된 모든 전기 자동차의 배터리 용량은 296.8GWh 로 20년 대비 102.3% 증가했습니다. 그중 흥미로운 점은 지난해 12월에만 구축량이 43.7GWh(53.2%)였다는 것입니다.
제조사 별로 보면 전체 배터리 용량의 1/3 가까이를 중국 CATL이 공급했는데, 21년 96.7GWh 로 전년 대비 168%의 높은 성장률을 기록했습니다. 중국 배터리 제조사들은 자국 내 시장에서 절대적인 지위와 정부의 지원을 등에 업고 엄청난 성장을 이룰 수 있었습니다.
2위는 LG 에너지솔루션이 차지했습니다. 60.2GWh 로 전년대비 75.5% 성장률을 보였으며 점유율은 20.3%를 기록했습니다. 3위는 일본의 파나소닉으로 지난해 내비 18.4%의 성장률을 보이며 전체 시장의 12.2%를 차지했습니다. 그뒤를 중국의 BYD 가 바짝 쫒고 있어서 22년에는 그자리가 위태로워 보입니다. SK On 역시 과감한 투자를 통해 골목할 만한 성장을 보여 올해 실적이 기대되는 부분입니다.
LG 에너지 솔루션과 SK On은 세계 각지의 생산설비를 빠르게 확충하고 투자를 늘리고 있는 반면 삼성 SDI는 상대적으로 조용한 행보를 보이고 있어 업계에 관심이 증폭되고 있습니다.
최근 LG 에너지 솔루션은 중국과 유럽은 물론 미국에까지 그야말로 닥치는 대로 투자하며 조인트벤처(JV)를 확보하고 물동을 흡수하고 있습니다. CATL 글로벌 배터리 생산량 2위를 달리고 있으며, CATL이 독점하고 있는 중국 시장을 제외하면 글로벌 기존 생산량 1위에 오를 것으로 추정되고 있지요.
또한 SK 온은 현재 40 GWh 규모의 연간 배터리 생산능력을 2025년까지 220 GWh로 늘리겠다고 발표했습니다. 글로벌 배터리시장 빅 3가 아닌 글로벌 1위를 노리고 있는 것입니다.
이를 위해 SK 온은 글로벌 1위 도약을 위해 최고 성능의 배터리 생산과 개발, 글로벌 공급체계 및 인재확보, 파이낸셜 실행력 재고 등 3가지 이행 방안을 제시했습니다. 이미 SK 온은 지난해 말 누적 수주 1,600 GWh을 달성했고 고객들의 증량 요청을 끊임없이 받아 오고 있는 상황으로 글로벌 넘버원의 꿈이 멀지 않다고 자신감을 드러내고 있습니다. 이를 위해 3가지 글로벌 사업 운용 계획을 공개했는데요. 첫 번째는 글로벌 원(One) 팩토리 구축입니다. 전 세계 공장에서 동일 수준의 제품을 일관되게 생산하는 시스템을 갖추고 했다라는 것이지요 두 번째는 현지화입니다. 현지 인력만으로도 완벽하게 운영될 수 있도록 전문인력 양성 체계를 구축하는 계획이며 마지막으로는 한 지역에 치우치지 않고 균형 있는 투자를 통해 양질의 제품을 안정적으로 공급하겠다는 구체적인 방안을 제시하였습니다.
그런 반면 삼성 SDI는 두 회사와 대비되는 행보를 보이고 있습니다. 삼성 SDI는 스텔란티스 및 완성차 기업과 물 밑에서 합작을 논의하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 얼마전 리비안과의 합작회사 협의에서 리비안의 무리한 요구로 인해 조인트벤처 합작 건이 물거품 된 바 있습니다. 그만큼 삼성 SDI는 양적인 팽창 보다는 질적인 성장을 추구하겠다라는 의미로 보여집니다. 한순간에 분위기에 편승해서 볼륨을 늘리는데 급한 것이 아니라 수익적인 부분을 채워가며 차근차근 생산량을 늘려 가겠다라는 의도로 풀이됩니다.
LG에너지솔루션의 과감한 투자전략이나, SK온의 다단계 전략, 삼성SDI의 내실전략 모두 각기 다른 전략으로 배터리시장에 대한 기대를 키워가고 있습니다. 과연 2025년 이후 활짝 웃을 수 있는 기업은 누가 될 지 궁금해 집니다.
리튬이온배터리의 4대 주요 요소가 있습니다. 바로 양극재, 음극재, 전해질 그리고 분리막이 그것입니다. 배터리 제조원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 양극재에 비하면 그다지 큰 비중이라고 할 수 없지만 분리막은 배터리의 안정성을 좌우하는 중요한 요소입니다.
배터리 셀 내부에는 양극과 음극이 존재합니다 양극과 음극이 물리적으로 접촉하게 되면 갑작스런 리튬이온의 이동으로 인한 주울열(joule)의 발생 되고 이로 인한 화재로 연결이 될 수 있습니다. 따라서 이런 사태를 맞고자 음극과 양극 사이에는 분리막이라는 필름으로 구분하게 됩니다. 그러나 분리막은 단순이 양극과 음극을 구분하는 격벽 역할 만 하는 것이 아니라 동시에 리튬이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 합니다 이 두 가지 역할을 위해서 분리막은 얇을수록 양극과 음극 사이의 이혼이 이동하기 쉽기 때문에 얇으면서도 안정성을 유지해야 하는 특성이 필요하게 됩니다 양극과 음극 사이에 이혼의 이동이 용이하다는 것은 그만큼 배터리 출력이 높아지고 충전 시간이 짧아질 수 있다는 의미입니다. 그만큼 배터리의 안정뿐만 아니라 성능에도 관여하는 중요한 역할이라는 뜻입니다.
건식분리막(좌) / 습식분리막(우)
일반적으로 분리막은 미세다공성 고분자 필름으로 주로 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 소재를 사용하여 생산하게 됩니다 생산시 생산 방법에 따라 크게 건식법과 습식법으로 나눌 수 있습니다 건식 법은 미세 다공성 필름 내에 존재하는 균열을 이용하여 제조 하는 방식이며 습식 법은 필름 내에 기포를 특정 분위기의 조건에서 추출하여 필름 내에 기포가 빠진 자리(다공성)를 이용하는 방법입니다.
고분자 필름은 사일로의 고분자 펠릿을 용융한뒤 커다란 드럼 롤로 밀어 시트 형태로 뽑아낸 뒤 양옆에서 부채꼴 모양으로 벌리며 필름의 폭을 확장시키는 공정을 적용하여 생산합니다.
쉽게 말해 건식법은 필름 내에 존재하는 구조를 물리적으로 버려서 다공성 형태로 만드는 반면에 습식법은 필름 내에 공기 방울들을 빼내고 그 방울들이 위치 했던 공간들을 다공성으로 만드는 방법입니다.
앞서 말한 것처럼 분리막은 배터리 안정성에 중요한 역할을 하는 부품입니다. 따라서 전기자동차용 리튬 이온 전지에서 요구되는 배터리의 특성은 특별하다고 말씀드릴 수 있습니다. 보통 전자기기 등에 사용되는 것과 달리 고신뢰성을 요구하는 자동차용 리튬배터리의 경우 150도 정도의 온도에 노출되는 환경에서도 전지의 안정성을 확보해야하는 내열특성이 요구됩니다. 이를 해결하기 위해 분리막 표면에 세라믹 입자와 고분자 바인더를 코팅한 제품이 개발되어 사용되고 있는데요. 대표적인 것이 LG화학에서 개발한 안전성 강화 분리막(SRS Safety Reinforced Separator) 이라고 하겠습니다.
이차전지용 분리막을 제조하는 업체로는 국내 SKIET, 유펙스켐, 씨에스텍 등이 있으며 일본 업체로는 아사히카세이 와 도레이, 스미토모, 더블유 스코프, 우베 등이 있습니다. 대표적인 중국 업체로는 상해 에너지, 시니어, 호남 중리 등이 있습니다.
에코프로이노베이션은 미국 아이오니어사와 탄산리튬 구매계약을 확대한다고 밝혔습니다. 이에 따라 초기 공급물량은 연 2,000톤~ 7,000톤으로 증가할 것으로 보입니다.
에코프로이노베이션은 지난 해 7월 리오 라이트 리지 리튬 붕소 프로젝트에 대한 아이오니아의 최종 투자결정을 전제로 구매 계약을 체결하였습니다. 최초 2000톤을 받고 이후 5000톤의 물량을 더 구매 하는 방법을 모색했습니다만 이후 에코프로이노베이션 자체 논의 끝에 올해 추가 구매를 확정지었다고 밝혔습니다. 따라서 에코프로이노베이션은 아이오니어사가 리오 라이트 리지 프로젝트에서 생산한 탄산리튬을 공급받을 수 있게 되었으며 고순도 수산화리튬으로 변환하여 사용할 예정이라고 합니다.
에코프로이노베이션은 2020년부터 경북 포항에 730억원을 투자하여 2차전지 양극재용 수산화리튬 제조 공장 건설을 추진해 왔습니다. 현재 국내 전체 수요의 약 30%를 충족시키겠다라는 계획이라고 합니다.
미국 네바다주에 위치한 리오 라이트 리지 광산은 북미에서 유일한 리튬 붕소 매장지로서 작년 9월 남아공 광산회사 시바니 스틸워터와 합작투자 계약을 맺고 개발을 진행 중인 곳입니다. 에코프로 이노베이션과 아이오니어사는 지분을 50% 씩 부담하는 것으로 합의하였으며, 2024년부터 프로젝트 운영이 본격화될 것이라고 밝혔습니다.
중국 배터리 공급 업체인 CATL은 리튬인산철(LFP) 배터리를 기반으로 테슬라와의 협업을 통해 글로벌 최대 배터리 업체로 군림하고 있습니다. 리튬인산철 배터리는 우리나라와 일본이 주력으로 하고 있는 삼원계 배터리의 비해 열적인 안정성이 우수하고 제조 원가가 낮은 장점이 있지만 에너지효율이 낮고 무겁다는 단점을 가지고 있습니다. 하지만 테슬라가 추구하던 배터리 가격 경쟁력 확보 측면에 맞아 들어가면서 단기간에 배터리 생산 물동을 확보할 수 있었습니다.
하지만 최근 테슬라와의 밀월 관계가 삐걱 거리는 듯 보입니다. CATL에 전적으로 의존하던 중국내 물동을 BYD 와 고션(Gotion)과 같은 업체로 분할하고 있는데 그것은 중국 내 배터리 업체들의 기술 평준화가 이루어진 탓이기도 합니다.
CATL에게 있어서 글로벌 시장 점유율이 현재는 가장 높지만 언제라도 그 위치는 뒤바뀔 수 있다라는 위기감이 팽배해져 있습니다. 따라서 중국 및 유럽이 아닌 최대 시장인 미국의 투자를 감행해 하려 하는 것입니다. 잘 알다시피 최근 몇 년간 미국과 중국의 관계 악화로 인해 중국업체의 공식적인 미국 투자는 사실상 불가능에 가깝웠습니다. 현재로서도 그다지 양국 관계가 개선된 상황은 아니지만 더 이상 미국 투자를 늦출 수 없다라는 판단으로 보입니다.
CATL은 지난 18일 차이나데일리를 통해 미국 현지 와 가능성을 모색하고 있다고 발표했습니다. 다만 미국 기술과 재료 또는 장비를 CATL배터리 생산 공정의 직접 적용하지는 않을 것이라고 밝혔는데요. 이미 CATL은 지난해까지 전 세계 10개 이상의 생산기지를 확보하고 있으며 각 해외 거점을 기반으로 활발한 생산 및 영업을 진행하고 있습니다.
CATL은 이미 상하이에 테슬라 기가팩토리에서 80GWh 생산라인을 확보하고 있으며 테슬라뿐만 아니라 다임러와 폭스바겐등 글로벌 자동차회사들을 고객으로 삼고 있습니다.
CATL의 미국에 공장투자를 통해 진출하게 되면 테슬라의 미국 내 배터리 공급처는 LG 에너지 솔루션과 파나소닉, CATL 이 3개 회사가 주축이 될 것으로 보입니다. 하지만은 LFP배터리는 미국 내 하이엔드 급에 고사양 제품에는 적합하지 않아 모델3 스탠다드 보급형 모델에 국한 될 가능성이 높아보입니다.
그러나 일보다 먼저 중국 회사에 미국 내 투자가 원활히 진행될지부터 지켜봐야 할 것 같습니다.
국내 배터리 제조사 중 최대 규모를 자랑하는 LG에너지 솔루션은 일본의 NEC코퍼레이션으로부터 에너지 저장장치(ESS) System Integration 전문기업인 NEC 에너지솔루션의 지분 100%를 인수했다고 합니다. 이를 통해 에너지 에너지 솔루션은 ESS 사업 기획 설계 설치 유지보수에 이러면 종합적인 고객 맞춤 솔루션을 제공할 수 있게 되었습니다. 이를 위해 LG 에너지솔루션 버테크라는 법인까지 신설하였습니다.
NEC 에너지 솔루션은 일본 NEC가 2014년 미국 A123 시스템의 ESS SI사업을 인수해 설립한 회사로 미국에 본사와 연구개발센터를 두고 호주, 영국, 브라질 등 세계 곳곳에서 ESS SI사업을 수행하고 있습니다. 2020년 매출액은 2400억원 수준으로 최근 3년간 연평균 60% 수준의 고성장을 이어오고 있습니다. 특히 독자 에너지 관리 시스템(EMS)를 보유하고 있으며, 10년 이상 데이터기반 유지보수체계를 갖추고 있습니다. 이로서 LG 엔솔은 ESS 화재사고 대응 및 기술보완을 통한 안전성 강화를 통한 경쟁력을 확보할 수 있게 되었습니다.
이미 전 세계적인 신재생에너지 시장 확대로 넘처나는 전기를 보관 할 ESS 수요 역시 폭발적으로 성자하고 있습니다. 하지만 그동안에 ESS에 사용되었던 배터리 셀의 화재안전성 이슈로 예상만큼 뚜렷한 성장을 보이지 못하고 있었습니다. LG 에너지솔루션 역시 화재 이슈에서 자유롭지 못 했지만 NEC 에너지솔루션 기술인수를 통해 확실한 ESS 시장의 강자로 발돋움할 것으로 보입니다.
코로나19와 세계적인 SCM 이슈로 인해 배터리양극재의 핵심 원재료인 니켈과 코발트, 망간 등 가격이 천정부지로 치솟고 있습니다. 어쩌면 배터리 가격 상승으로 인해 전기차 시장에 속도에 찬물을 끼얹을지도 모르는 상황입니다. 이런 상황이 지속되면서 배터리의 주요 원재료를 재활용 하는 리사이클링 사업에 대한 관심은 더욱 높아지고 있습니다.
레드우드 머트리얼스는 테슬라의 공동창업자인 스트라우벨이 런칭한 배터리 재활용 스타트업입니다. 미국 네바다 본사를 두고 있으며 전기차 배터리에 초점을 맞추고 재료를 재활용하는 새로운 공정을 개발하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
언론에 따르면 레드우드 머터리얼즈는 미국 캘리포니아의 볼보와 포드로부터 EV 배터리팩을 수거해 100 Gwh 용량의 배터리 음극과 양극 생산의 들어갈 것이라고 합니다.
레드후드 머테리얼즈는 초기 테슬라 기가팩토리 네바다에서 파나소닉이 생산했던 배터리 부산물들을 재활용 하는 것으로 시작했습니다.
레드우드는 그들의 배터리를 재활용하고 새로운 생산에 자재를 재사용할 수 있는 프로그램을 개발하는 것을 돕기 위해 볼보 및 포드와 계약을 체결하였습니다. 수명이 다한 하이브리드 및 전기차 배터리 팩의 효율적이고 안정적인 복구 경로를 구축하기 위해 캘리포니아를 시작으로 가장 포괄적인 전기차 배터리 재활용 프로그램을 마련했다고 합니다. 이들은 포드와 볼보 딜러들과 협력하여 수명이 다한 배터리팩을 확보하고 네바다에 있는 시설로 운송 할 예정입니다. 이미 6 Gwh의 배터리를 처리할 수 있는 용량을 갖추고 있는데 이는 EV 배터리 약 6만 개를 수용할 수 있는 용량이라고 합니다.
리튬 이온 배터리 등 2차 전지 산업이 진정한 친환경 산업으로서의 가치를 인정받기 위해서는 배터리 생산을 위한 원재료에 채굴과정부터 배터리 셀의 생산, 판매와 유통 그리고 마지막으로 폐 배터리의 처리 및 활용까지도 완벽한 하나의 사이클로 선순환 과정이 전제되어야 합니다. 그런 의미에서 레드우드와 같은 배터리 재활용 업체의 역할은 향후 더욱 더 커질 것으로 전망됩니다.
기존의 리튬 이온 배터리는 인화성 전해질로 인한 화재에 대한 잠재적인 위험을 포함하고 있었습니다. 따라서 완벽한 배터리를 추구하기 위해 과학자들은 두 가지의 목표를 가지고 있습니다. 배터리의 용량을 최대화하면서도 안전하게 만드는 것이 바로 그것입니다.
이를 위해 고안 된 것이 바로 전고체 배터리입니다. 완전히 고체 전해질로 구성된 전고체 배터리는 더 높은 열적 안전성과 에너지 밀도를 가지고 있어서 향후 미래 배터리로써 각광을 받고 있습니다.
미국의 아곤국립연구소의 본부를 두고 있는 에너지저장연구를 위한 공동센터에 일원인 캐나다 워털루대학에 연구원들은 몇 가지 중요한 장점을 제공할 수 있는 새로운 고체전해질을 발견했습니다.
리튬, 스칸듐, 인듐, 염소로 구성된 이 전해질은 리튬이온은 전도성이 좋지만 전자는 전도성이 떨어진다는 특징을 가지고 있습니다. 이 조합은 4V 이상의 고전압에서 100 사이클 이상, 중간 전압에서는 수천 사이클 이상 동안 용량을 크게 잃지 않는 상태로 전고체 배터리를 구동하는데 필수적인 요소를 제공 합니다. 전해질의 염화물은 4V 이상의 작동 조건에서 안정성이 매우 중요한데에 이느 오늘날 리튬이온전지의 주축을 이루는 전형적인 양극 물질에 적합하다는 것을 의미합니다. 전고체 배터리에 고체전해질의 주된 매력은 인화성이 낮고 배터리 셀에 효율적으로 배치 될 수 있다는 점입니다.
고체전해질의 현재 사이클은 2.5 V에 이상에서 산화 및 분해되는 황화물에 크게 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 4V 이상에서 작동하는 양극물질 주위에 절연 코팅이 필요하며 이는 전자와 리튬이온이 전해질에서 양극으로 이동하는 능력을 손상시킬 수 있습니다.
기존의 리튬황 전해질은 난제를 가지고 있었습니다. 전해질이 산화되지 않도록 전기적으로 양극에서 분리하길 원하지만 여전히 양극물질의 전기전도성이 필요합니다. 반면 염화물 전해질을 사용할 경우 전자전도도가 낮고 더 높은 이온 전도율을 보이는 것으로 확인되었습니다.
이온 전도도를 올리는 화학적 열쇠 중 하나는 스피넬이라고 불리는 물질에 구조에 있습니다. 스피넬의 가능한 한 많은 전하를 전달하는 이온을 적재하는 동시에 이온이 통과할 수 있는 공간을 충분히 열어두어야 합니다. 스피넬 구조의 절반은 리튬을 점유하고 나머지 절반은 개방하는 것이 이상적인 상태이지만 그런 상황을 만들도록 설계하는 것은 쉬운 일이 아니라고 연구진은 설명합니다. 또한 리튬에 좋은 이온전도성 외에도 높은 전압에서 분해되기 위해 전자가 전해질을 통해 쉽게 이동하지 못하도록 해야 합니다.
연구를 주도한 나자르 교수는 전자전도도가 기존에 보고된 많은 염화물 전해질 보다 낮은 이유는 아직 정확하게 설명할 수는 없지만 양극재와 고체전해질간에 깨끗한 인터페이스를 구축하는데 도움이 되고 있고 이는 양극에 많은 양의 활성물질이 있더라도 안정적인 성능을 발휘하는데 큰 원인이 된다고 밝혔습니다.
습식 분리막 시장의 선두주자인 아사이카세이가 국내 시장에 배터리 제조사의 분리막 판가를 20% 인하한다는 소식이 전해지자 SKIET도 분리막 판가 인하를 추진한다는 소식입니다.
어제 국내 언론을 통해서 아사히 카세이가 국내 2차전지 업체에 습식 분리막 가격을 종전대비 20~ 30% 인하 한다라는 소식이 보도되었습니다. 종전이라는 기준이 어느시점인지는 정확히 밝혀지지 않았지만 굉장히 공격적인 시도임에 분명합니다.
전기차 업체에 있어서 배터리는 전체 제조원가의 30% 이상을 차지하고 있는 중요한 부품입니다. 물론 배터리에 대부분을 양극재가 차지하고 있지만 주요 4대 요소 중 하나인 분리막 역시도 가격 인하 압박을 받고 있는 것이 사실입니다.
없어서 못 만드는 배터리가 작년부터 계속된 전기차의 반도체 수급 이슈에 따라 EV 출하량이 줄어들자 배터리 셀 업체에까지 생산 차질이 연결되고 있습니다. 배터리 셀 단위의 생산 물동이 줄어들자 하위의 배터리 SCM 업체들까지 고스란히 전달되고 있는 상황인데요. 이에 따라 SKIET에 실적 발표에서도 고객사의 출하차질에 따른 일부 물량은 가격인하를 가만한 마케팅으로 판매할 계획이라고 밝혔습니다.
다만 분리막 원재료가 메탈이 아닌 PE/PP 와 같은 소재이다보니 상대적으로 원재료가격 전가폭이 크지 않으며, 최근과 같은 수요차질 국면에서 단기적인 가격인하는 예상가능한 수준이라고 생각됩니다. 아사히 카세이가 분리막 가격을 제곱미터당 1.3 달러 수준으로 공급한다고 보도 되었지만 이미 SKIET의 21년도 판가는 0.9 달러에 불가합니다. 이미 아사히카세이 보다도 낮은 단가에서 운영되고 있기에 SKIET의 추가적인 20% 인하 진행은 사실상 적용되지 않을 가능성이 높아 보입니다.
전체적인 배터리 업체에 분리막 조달 양은 예상보다 미미한 수준으로 신규고객사 확보를 위한 가격인하가 예고 되어 있었던 만큼 SKIET의 판가인하로 인한 펀더멘털에는 영향이 크지 않을 것으로 전망되고 있습니다.
아사히카세이가 2차전지 필수 소재인 습식 분리막의 평균 가격 인하를 추진하고 있습니다. SKIET와 더불어 글로벌 습식분리막 시장을 좌우하고 있는 아사히카세이는 한국 2차 전지 제조업체에 종전대비 20~30% 인하안을 제시한 것으로 알려졌습니다. 업계에 따르면 가공 전 분리막 제곱 미터 당 1달러, 가공 후 분리막 1.3 달러가 가격대가 될 것으로 알려졌습니다. 한국 배터리 기업에 대한 의존도가 높은만큼 소재의 협력을 더욱 공고히 하려는 전략으로 보이는데요. 소재업계 관계자는 아사히카세이는 습식분리막 시장 세계 1위인 업체이지만 자국에서는 습식분리막 구매업체가 파나소닉 뿐이기 때문에 실제적으로 글로벌시장에 배터리 점유율이 높은 한국과 중국 업체에 의존할 수 밖에 없는 구조입니다.
LG 와 SK 등 국내 대기업이 소재 사업에 뛰어들며 사업 영역을 확대하고 있는 것에 대한 대응책으로도 해석되는 부분입니다. SK이노베이션에서 분사한 SK아이이테크놀로지(SKIET)는 아사히카세이와 함께 분리막 세계 선두권을 유지하고 있습니다. 또한 LG화학은 LG에너지솔루션 분사 이후 LG전자에서 운영하던 분리막 부문을 인수하였고 도레이와 전략적 협력을 통해 헝가리의 조인트 벤처(JV)를 구축하여 분리막 사업 영역 확장에 준비 중인 것으로 알려져 있습니다. 또한 삼성 SDI는 더블유스코프와 전략적투자 협업을 강화하고 있고, 에너에버 배터리 솔루션과 동우화인켐도 분리막 관련 사업화에 더욱 집중하고 있는 상황입니다.
에코프로비엠 헝가리 양극재 공장 부지 개약이 임박했다는 소식입니다. 헝가리 데브레첸시 바르샤 부시장에 따르면 에코프로비엠은 기존 데브레첸 남부 경제구역에 약 34만 제곱미터의 부지를 구입할 예정이었으나 44만 제곱미터로 확장하여 구매할 예정이라고 합니다.
에코프로 비엠은 작년 약 9700억원을 투자해 연간 10만 8000톤 수준의 헝가리 양극재 공장을 짓겠다고 발표했으며 2024년 하반기 제1 공장을 시작으로 이듬해에 하반기 제 2공장을 가동할 예정이라고 합니다.
화재난 오창 양극재 공장 3월 재가동
지난 1월 에코프로비엠 오창공장 폭발 사고로 사상자를 낸 이후 양산이 중단되었던 에코프로비엠은 최근 폭발사고로 중단되었던 CAM4 라인을 내 달 중에 가동할 예정이라는 소식입니다. 또한 직접적인 화재피해를 받은 CAM4 N을 대신해 포항공장 CAM5-N과 CAM6 생산라인으로 조기 가동을 통해 가동률을 최대한으로 끌어올릴 예정이라고 합니다. CAM5에는 SK 온과 CAM6(에코프로이엠)는 삼성 SDI에 공급되는 양극재를 생산하고 있는데요. 다만 조기가동 및 가동률 상승에 따라 고정비 부담이 심화될 전망이라고 합니다.
삼원계 배터리 양극재의 핵심 원재료 중 코발트는 채굴 작업에 윤리적인 문제 등으로 인해 사용이 지양되는 원재료입니다. 최근 미국의 미시간 대학 연구원들은 이러한 리튬 이온 배터리에 비해 더욱 강력하고 지속 가능한 대안으로 리튬-황 배터리 통해 새로운 돌파구를 마련한 것으로 보입니다. 이들은 리튬-황 배터리의 에너지 밀도를 5 배나 증가시켰다고 한 언론을 통해 밝혔습니다.
미시간의 연구팀들은 배터리의 리튬 음극과 황 양극 사이에 화학 반응을 안정시키기 위해 방탄조끼에 사용되는 케블라를 재활용한 아라미드 나노섬유 네트워크를 사용했습니다.
연구팀은이를 통해 배터리 충전 사이클을 1000회 이상 가능한 리튬-황배터리를 개발할 수 있었습니다. 충전 주기를 1,000 회로 볼 때 배터리 수명은 10년 정도 될 것으로 추정하고 있습니다. 리튬-황배터리에 대해서 수백 사이클이 가능하다고 주장하는 많은 보고서들이 있지만 용량과 충전속도, 복원력 그리고 안전성과 같은 다른 변수들을 희생 해야 하는 문제들을 안고 있었습니다. 하지만 이번 미시간 팀의 연구에서 사이클을 높이면서도 다른 요구사항을 만족시킬 수 있는 배터리를 개발할 수 있게 되었습니다.
연구팀은 아라미드 막을 이용하여 배터리에 폴리황화물이라고 알려진 리튬 황 형성을 막을 수 있었고 이로 인해 전체 용량 감소를 막을 수 있었습니다.
리튬 황배터리에 거는 기대는 매우 큰 상태인데요. 황은 코발트보다 얻기가 쉬운 재료이며 또한 케블라를 사용하여 만들어진 다양한 제품들을 재활용함으로써 환경적인 오염을 예방할 수 있기 때문입니다. 또한 그동안 문제시 되었던 코발트와 같은 제한된 광물의 사용이 더 이상 필요하지 않다라는점 때문입니다.
미시간 연구팀의 코토프 교수는 아라미드막에 대한 특허출원을 진행했고 심지어 신기술을 이용할 수 있는 회사를 설립할 계획이라고 합니다. 프로토타입의 용량과 효율성이 이러한 유형의 기술에 대한 이론적 한계에 가깝기 때문에 거의 완벽하다고 설명하고 있습니다. 또한 리튬 황배터리는 고온과 저온의 극한적인 환경에서도 견딜 수 있다는 장점 때문에 일반적인 자동차용 배터리뿐만 아니라 방위산업에까지 확대될 것으로 보고 있습니다.
이제 리튬이온 배터리는 우리 생활에 없어서는 안 되는 필수적이 부품이 되었습니다. 전기 자동차의 에너지원이 되었고, 재생 에너지를 저장하기 위해 필수적인 저장장치인 ESS를 구성하기도 합니다.
그러나 우리가 공통적으로 당면한 문제는 급증하는 배터리 수요를 충족시키기 위해 충분한 리튬과 다른 주요 광물들을 추출할 수 없다는 점입니다. 새로운 광산을 건설하기에는 비용이 너무나 많이 들고 채굴까지는 수년 간의 노력이 필요합니다. 또한 광산 채굴은 지역 수자원을 오염 시킬 수 있으며 인근 지역으로 유출되어 오염 등의 수많은 문제들을 야기할 수도 있습니다.
따라서 이런 문제점들을 해결하면서도 리튬이온 배터리를 사용하기 위해서는 배터리의 소재의 재활용 능력이 필수적이라 하겠습니다.
이런 이유로 최근 배터리 시장에서는 배터리 셀 생산에 버금가는 배터리 소재의 재활용에 관심이 높아지고 있습니다. 사실 그동안은 소재를 사용하여 배터리 셀을 생산할 경우 기존 제품보다 품질이 낮고 수명이 단축되어 전기자동차와 같은 이용 분야에서 제대로 적용할 수 없다라는 우려가 많았습니다.
그러나 줄(Joule)에서 발표한 새로운 연구에 따르면 리튬이온 배터리의 가장 비싼 구성 요소인 양극재는 세심하게 가공한 재활용 방법을 사용할 경우 처음 만들어진 양극 배터리만큼 성능이 좋을 수 있다고 합니다. 오히려 재활용 된 양극재로 만들어진 배터리는 더 오래 지속 될뿐 더러 더 빨리 충전 될 수 있습니다. 이번 줄에서 발표한 이 연구 결과는 매우 인상적이라고 할 수 있습니다.
우스터 폴리테크닉연구소에 '얀 왕'은 11년 전부터 배터리 재활용 연구를 시작했습니다. 향후 10년 동안 배터리 시장이 10배 성장할 것으로 예상하고 있으며 리튬이온 배터리를 재활용 하는 것은 배터리를 위한 공급망(SCM)차원에서 매우 중요한 일이라고 생각하고 있습니다.
배터리를 재활용하기 위해 사용되는 가장 일반적인 방법은 배터리 전체를 분해하여 모두 녹이거나 산에 용해 하는 것입니다. 그 결과 검은색 덩어리가 만들어지며 분말마다 특성이 달라져 화학원소나 간단한 화합물을 회수할 수 있게 됩니다. 그렇게 된 제품은 새로 채굴 된 원소가 양극을 만드는 것과 동일한 산업적 제조 공정을 거치게 됩니다.
왕과 그의 동료들은 기존의 방식과 유사한 공정을 사용하지만 배터리를 화학원소로 완전히 분해하는 것 대신에 양극에 중요한 조성물 일부를 그대로 유지하는 방식을 취합니다. 배터리를 파쇄한 후에는 더 저렴한 비트를 물리적으로 제거하고 별도로 재활용합니다. 그리고 나서 남은 대부분의 물질은 양극재인데 이것을 산에 녹인 다음 불순물을 제거하여 니켈과 코발트와 같은 양극을 구성하는 새로운 원소를 세심하게 참가하여 성분의 비율을 조정합니다. 특히 일반적인 재활용 방법과의 큰 차이점이라면 이 정련과정을 몇 단계 더 진행하여 양극재의 순도를 높이고 결정 사이즈를 줄이는데 있습니다.
배터리 소재의 재활용 시 배터리 소재에 혼합으로 이루어지기 때문에 구조나 구성이 약간이라도 바뀌면 성능이 저하되는 원인이 됩니다. 따라서 양극재는 처음 분말 입자를 어떻게 조작 하는가에 있다고 전문가들은 말합니다. 그러나 현재의 재활용 방법처럼 배터리 전체를 한 번에 녹일 경우 그 순수성이 훼손 되기 때문에 그 가치가 저하될 수 밖에 없는 것이죠.
왕의 연구팀이 추가적으로 발견한 사실은 재활용 양극재 분말의 입자와 상업적으로 제조 된 양극 분말의 입자를 비교했을 때 재활용 분말의 입자는 중앙에 큰 빈 공간이 있어 더 다공성 재질이라는 것을 알아낸 점입니다. 더 다공성이라는 의미는 필요한 화학반응이 있는 노출된 표면적이 더 크다라는 의미이고 이러한 특성으로 인해 리튬이온이 양극 결정 안으로 비집고 들어갈 수 있는 공간을 제공하여 살짝 부풀어 오르며 격자 구조의 균열을 야기하는데 이러한 균열들은 시간이 지남에 따라 배터리 성능을 저하 시키는 원인으로 작용한다고 합니다.
배터리가 친환경 부품으로 남기 위해서는 효율 및 용량 등 기술적인 발전 뿐만 아니라 소재의 리사이클링 기술 등 기술의 선순환 구조가 필수적이라고 하겠습니다.
SK머터리얼즈는 지난달부터 경북 상주에 실리콘 음극재 주원료인 실란(SiH4)를 생산하는 공장을 건설 중에 있습니다. 이 투자는 미국의 실리콘 음극재 회사인 '그룹 14테크놀로지'와 합작법인을 설립하고 22년 내 완공을 목표로 진행 중에 있습니다.
SK머터리얼즈 상주공장은 올해 말 생산을 시작으로 2025년까지 추가 증설을 통해 연간 1만톤 규모의 음극재를 생산할 계획이라고 합니다.
SK그룹은 반도체 이후 가장 기대되는 사업을 배터리사업 꼽고 있으며 배터리 셀 생산 뿐만 아니라 배터리 소재 전반에 걸치 투자를 통해 수직계열화를 염두해 두고 있습니다. 배터리 소재사업에 대한 투자를 위해 위에서 언급한 음극재 외에 중국 '베이징 이스프링'과 합작사를 통해서 양극재 시장의 문도 두드리고 있습니다.
베이징 이스프링은 삼원계 배터리용 양극재를 생산하는 양극재 시장에서 알아주는 글로벌 기업중 한 곳입니다. 특히 하이니켈 단결정 양극재 개발.양산분야에서 글로벌 최고수준의 기술력을 확보한 것으로 알려져 있습니다.
SK와 이스프링은 합작사를 통해서 삼원계 배터리용 양극재 및 현재 가장 널리 사용되는 리튬인산철(LFP) 배터리용 양극재까지 생산한다는 기본 전략을 세운 상태입니다. 게다가 국내 합자사(JV)뿐 아니라 이를 발판으로 유럽시장을 목표로하는 추가 합작사를 설립할 예정입니다. 현재 이스프링이 핀란드에서 건설중인 양극재 생산공장에 지분을 확보하여 글로벌 협력체계를 구축한다는 방침이며, 계획대로 진행될 경우 핀란드 공장에서 생산되는 양극재는 2024년 볼 수 있을 전망입니다.
아직 구체적인 인수 비중은 정해지지 않았으나, 30% 수준을 넘지 않을 것으로 예상되며, 향후 미국시장을 감안한 투자도 점쳐지고 있습니다.
SK 온 배터리 생산용 설비 투자 시작
SK온은 이미 헝가리에 3공장 건설을 확정한 상태이며, 중국의 옌청에 4공장 설립까지 염두해 둔 상태입니다. 옌청 4공장은 헝가리 공장 생산 용량을 포함 시 30GWh 수준으로 예상되며, 이들 공장에 투자금은 6 조원 수준으로 헝가리와 중국의 투자지원을 포함할 경우 장비 투자에만 5~6 조원 수준이 될 것으로 예상하고 있습니다.
SK온은 연내 가동을 목표로 3월까지 장비 업체 선정을 마친다는 계획이며, 전극제조와 조립, 화성, 믹싱 4개 공정에 각 2개 이상의 업체를 선정할 방침이라고 합니다.
전기차 전환이 빨라지면서 기존에 내연기관을 생산하던 완성차 회사들은 물론 전자제품을 생산하던 업체들도 전기차 생산 대열에 진입하고 있습니다. 따라서 기존의 내연 기관 차량 제조사들과의 경쟁과는 비교할 수 없을만큼 치열한 경쟁이 예상되고 있습니다. 전기차 시장에서 살아남기 위한 경쟁력을 확보하는데 사활을 걸고 있는 것이죠.
우선 전기차 경쟁에서 살아남기 위해서는 설계 기술뿐만 아니라 제조 경쟁력 확보해야만 원가 경쟁에서 유리한 고지에 설 수 있습니다. 그러기 위해서 가장 핵심이 되는 부분이 바로 배터리 내재화인데요. 배터리는 전기차 제조 원가의 30%를 넘게 차지하는 핵심 부품입니다. 따라서 배터리를 내재화 하느냐는 원가 경쟁에서 선두에 설 수 있는가 없는가를 좌우하는 중요한 문제입니다.
배터리 내재화에 대한 입장은 업체들마다 약간은 다른데요. 우선적으로 현재 배터리 업체들과의 합작을 통한 투자를 진행하는 업체가 있는가 하면 자신들이 직접 배터리까지 생산하는 업체도 있고 반면에 배터리 전문 업체에 완전히 일임하는 업체도 있습니다.
배터리 제조사와 합작을 통한 방법을 채택할 경우 배터리를 안정적으로 공급받을 수도 있고 배터리 업체에 투자금을 통해 비용부담을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 폭스바겐과 노스볼트, GM과 LG에너지솔루션, 포드와 SK 온이 대표적이라 하겠습니다. 단면 테슬라와 같이 기가팩토리를 직접 건설하여 배터리까지 생산하는 경우도 있고, BMW 와 같이 전적으로 배터리 전문 업체에서 공급받기 원하는 업체들도 있습니다.
배터리 내재화를 통한 방법이나 외부 소싱 등 접근방식은 여러 가지이지만 한 가지 변하지 않는 사실은 전기차에 있어서 배터리에 존재가 무엇보다도 중요하다라는 점일 것입니다.
K 배터리의 대표주자인 LG 에너지솔루션의 기술 혁신을 통해 전기차용 배터리 충전시간이 대폭 단축될 것으로 예상됩니다.
전기차를 구매하길 희망하는 소비자들이 가장 우려하는 부분은 바로 배터리에 용량과 충전 시간이었습니다. 최근 배터리 효율 개선을 통해 1회 충전으로 500 km 이상 가능한 차량들이 대거 나타났습니다. 그러나 아직까지 고속 충전기능은 배터리 기술 선도 업체들만이 제공할 수 있는 고급 기술에 속합니다. 포르쉐 타이칸과 같은 고급 전기차종에만 고전압에 고속충전기술이 적용되는 이유도 이 때문입니다.
에너지 솔루션에 따르면 2023년 주행거리 500 km 이상의 3세대 전기차의 급속 충전이 가능한 배터리를 이용할 경우 충전시간은 20분 이내로 축소될 것이라고 밝혔습니다. 이를 위해 2018년부터 진행해 온 실리콘음극재와 더블 레이어 코팅기술을 접목할 예정인데요. 현재까지이 기술이 적용된 차량은 포르쉐 타이칸이 유일합니다.
배터리 4대소재 중 하나인 음극재는 충전 시 양극에서 나온 전자를 받아들이는 역할을 하는 소재로 충전속도에 직접적인 영향을 끼칩니다. 음극재를 만들기 위해서는 음극 활물질이 잘 달라붙도록 바인더 등 다른 물질을 섞고 동박에 평평하게 발라 코팅을 해야 하는데 과거에는 코팅 후 건조 과정에서 절연체인 바인더가 한 곳으로 쏠려 전자 흐름을 막아 충전 시간이 늘어나는 문제가 있었습니다. 그러나 LG 에너지솔루션은 2종의 전극 슬러리 집전체에 동박에 동시코팅하는 '더블 레이어 코팅 (DLD) 기술'을 통해 배터리 셀의 저항이 향상됨에 따라 충전 속도 개선 및 배터리 성능의 전반적인 향상을 이끌어냈습니다.
또한 LG 에너지솔루션은 기존 흑연 음극재의 실리콘 소재를 첨가한 실리콘음극재를 통해 충전 속도를 개선하고 배터리 용량을 늘린다는 개획도 추진 중에 있습니다. 업계에서는 실리콘 함유된 음극재를 통해 최대 10배 이상의 배터리 용량을 가질 것으로 기대하고 있습니다.
이차전지 양극 소재로 사용되는 니켈산리튬(LNO) 수명을 2배 이상 늘리는 기술이 개발되어 이목을 끌고 있습니다.
포스텍 철강 에너지소재 대학원 박규형교수와 미국 노스웨스턴 연구팀의 공동연구를 통해 LNO소재의 특수처리를 통해 수명을 늘리는 기술을 개발했다고 합니다. 니켈 산 소재는 리튬 이온 이차전지 양극소재 리튬코발트산화물(LCO)해서 코발트를 니켈로 대체한 것입니다.
삼원계 소재 중 가장 비싼 코발트를 제거함으로서 제조원가를 20% 이상 낮출 수 있으며 에너지 밀도는 30% 이상 높일 수 있습니다. 그로 인해 배터리 에너지 용량은 더 늘어날 수 있습니다. 그러나 LNO소재의 단점은 수명이 매우 짧다라는 점으로 그동안 LNO소재의 상용화를 위해 많은 연구진과 업체들이 해결책을 모색하고 있었습니다.
포스텍연구팀들은 LNO소재를 사용 할 때 표면에 발생하는 산소가 입자 구조를 뒤틀리게 하여 소재수명이 짧아진다 라는 사실을 발견하고 이를 해결하기 위해 그래핀을 코팅하여 산소 발생을 차단 하는 방식으로 수명을 늘리는데 성공했다고 합니다.
본 연구를 이끈 박규현 교수팀은 연구성과를 통해 코발트를 없애 LNO소재의 상용화를 앞당길 수 있어서 앞으로 전기차를 위한 배터리 셀의 가격을 낮추고 주행 거리를 획기적으로 늘릴 수 있을 것이라고 기대를 숨기지 않았습니다.
K 배터리 3사는 세계 최대의 전기차 시장으로 꼽히는 미국에서 이따라 합작법인과 공장을 설립하는 등 공격적인 영토확장에 나섰습니다. 바이든 정부는 2030년까지 미국에서 판매되는 신차에 50%를 친환경 전기차로 대체하는 행정 명령을 내리는 등 전기차산업 육성에 강력한 드라이브를 걸고 있습니다. 또 미국은 자국산 구매 우선법안를 확대 적용하고 있으며 현재 국내 생산 비중이 55%를 넘을 경우에만 미국산으로 인정하고 지원을 하고 있습니다. 최종 물품 가격을 기준으로 일정 부분 55% 이상까지 미국 내에서 생산해야만 미국산으로 인정해 주기 때문입니다.
[ 미국 유럽 배터리 관련 투자 계획 ]
바이든 정부는 2024년 상반기부터 이를 65%로 늘릴 예정이며 2029년에는 75%까지 상향한다라는 계획입니다. 사실상 이런 식의 정책이 진행될 경우 전기차 원가의 30% 이상을 차지하는 배터리를 미국을 제외한 제 3국에서 생산하여 수입한다라는 것은 꿈도 꿀 수 없습니다. 반드시 미국 내에서 생산, 제조하지 않고서는 가격 경쟁력을 확보하기 어렵다는 점 때문입니다.
앞으로 미국과 중국의 자국 이기주의는 좀 더 강화 될 전망입니다. 따라서 이를 위한 배터리 3사의 현지화는 가속 될 전망입니다.
리튬이온배터리를 구성하는 주요 4요소는 양극재, 음극재, 전해액과 분리막입니다. 이중 배터리의 용량을 결정하는 가장 중요하면서 배터리 셀 원가에 가장 많은 부분을 차지하는 것이 바로 양극재입니다. 리튬의 주요 공급원으로서 리튬을 많이 함유한 양극재를 사용할 수록 더 큰 용량의 배터리 생산이 가능해지기 때문입니다.
양극재는 크게 세가지 성분의 조합으로 만들어 지는데 기본형은 LCO(리튬코발트산화물)이며 전기차용으로는 NCM(니켈코발트망간)과 NCA(니켈코발트알루미늄)이 주로 사용됩니다.
반면 우리나라의 3원계 케미스트리와 달리 중국의 경우 보다 열적 안정성이 높으면서도 저렴한 LFP(리튬산화철)을 주로 사용하고 있습니다.
국내에서 배터리셀 원가의 40%를 차지하는 양극재 생산 Top 기업은 에코프로비엠, 포스코케미칼,엘앤에프, 코스모신소재를 들 수 있습니다.
그렇다면 이 들 업체의 특징과 장.단점은 무엇 있을지 한 번 알아보도록 하겠습니다.
1. 에코프로비엠
에코프로비엠은 국내 양극재 시장에서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 명실상부 양극재 최고회사입니다. 2013년 하이니켈 양극재 위주 사업재편 이후 NCA 분야 점유율을 꾸준히 늘리고 있습니다. 글로벌 시장 기준으로도 일본 스미토모에 이어 2위를 기록하고 있는데요. 2024~2025년 유럽 헝가리에 양극재 공장 설립을 계획하는 등 공격적인 투자를 이어가고 있습니다. 다만 지난달 발생한 오창공장 화재로 인한 피해를 얼마나 빨리 회복하는지가 올해 실적을 좌우할 것으로 예상되고 있습니다.
2. 포스코케미칼
포스코케미칼은 2019년 양극재업체인 포스코ESM을 인수합병 후 양극재 시장에 진입한 이후 LS엠트론의 음극재부문까지 인수하여 현재는 양극재와 음극재를 모두 생산하고 있습니다. 19년 7월 광양공장에 연산 6000톤 규모의 생산설비를 준공했고, 이후 현재 광양에 4단계 생산설비를 구축하여 오는 23년에는 연 100,000톤 규모의 양극재 생산이 가능해 질 전망입니다.
3. 엘앤에프
엘앤에프는 2005년 자회사인 엘앤에프신소재를 설립하고 리튬이온 이차전지용 양극활물질 사업을 시작했습니다. 주 고객사는 LG에너지솔루션으로 매년 양극재 매출을 성장시켜 왔습니다. 지난해 4월에는 SK이노베이션(SK On)과 1조 2175억 규모의 NCM 양극재 공급계약을 체결하기도 했습니다.
4. 코스모신소재
코소모신소재는 양극재와 기능성필름류를 생산하는 업체로 양극재의 전체 매출은 약 50% 을 차지하고 있습니다. 코스모신소재는 기존 IT기기에 사용되는 기능성필름등을 주로 생산해왔으나 최근 LCO와 NCM하이니켈계 양극재의 생산비중을 늘려가고 있습니다.
지난해 하반기 LG에너지솔루션에 하이니켈 NCM 양극재를 공급하기 시작하여 올해 매출성장이을 견인할 것으로 예상되고 있습니다.
볼보 자동차 와 노스볼트의 배터리 합작 제조 공장이 스웨덴 예테보리에 들어설 것이라고 공식 발표 되었습니다. 이 둘 파트너사들은 예테보리의 공동 연구개발센터를 짓기로 결정했으며 이 지역에 볼보 자동차 최대의 자동차 공장이 있다는 점을 고려하면 배터리 공장도 예테보리의 들어설 수 밖에 없는 구조로 보입니다.
예테보리는 스웨덴의 가장 큰 볼보 자동차 공장이 입지 되어 있으며 인프라 접근성과 직접적인 경로, 강력한 재생 에너지 공급 파이프라인이 있고 볼보 자동차에 인적 인프라를 이용하기 용이한 최적의 위치입니다.
또한 2022년에 가동되면 몇 백 개의 일자리 창출 효과가 예상되며 또한 배터리 기가팩토리에 건설은 2023년에 진행될 예정이고, 볼보 자동차 와 배터리 셀 공동 개발은 2025년에 시작되어 양산은 2026년에야 가능할 것으로 내다봤습니다. 제조 능력은 약 연간 50 GWh가 될 것으로 보이며 해당 용량은 대략 50만대 자동차를 생산할 수 있는 수준입니다.
예테보리 위치한 볼보와 노스볼트 합작 회사에서 생산되는 배터리는 프리즘 타입으로 예상하고 있습니다 볼보 자동차는 배터리 셀 개발과 생산에 참여 할 예정이며 사내 전기모터 생산도 진행될 것이라고 합니다. 해당 셀은 차세대 볼보 자동차 뿐만 아니라 폴스타의 전기자동차에도 적용될 예정입니다.
볼보 자동차와 노스볼트 파트너쉽은 전기차의 주행 거리를 늘리는 것과 급속 충전를 통한 충전 시간을 줄이는 데에 포커스가 맞춰져 있습니다.
노스볼트는 이미 스웨덴 북부 스켈레프테오에 있는 노스볼트 ETT 기가 팩토리에서 배터리 셀을 양산 하고 있습니다. 이 공장은 연간 최대 60 GWh에 제조 능력을 확보하고 있고 폭스바겐 그룹은 노스볼트의 지분을 20% 보유하고 있으며 해당 배터리 우선 적용을 검토하고 있습니다. 하지만 이미 알려져 있다시피 노스볼트 ETT의 배터리 셀 품질 이슈로 인해 정상적인 공급이 어려운 상황으로 얼마 전 폭스바겐은 LG 에너지 솔루션과 Sk-On 등 배터리 수급을 위한 sos를 타진한 바 있었습니다.
유럽의 배터리 자급자족을 위해 최전선에 가장 큰 기대를 받고 있는 노스볼트 있지만 양산을 위안 갈 길은 아직 멀어 보입니다.
모르긴 해도 분명 전기차를 사려고 망설이는 소비자에게 있어서 이런 기능은 분명 매력적인 장점임에 틀림없습니다.
현재까지는 전기차를 망설이는데 그게 두 가지 이유가 있습니다.
첫 번째는 1회 충전 시 이동할 수 있는 주행거리가 기존의 화석연료 차량에 못 미친다는 점이고, 둘째는 충전에 소요되는 시간이 너무 길다는 문제입니다.
현재 가장 발전된 형태의 고속 충전은 루시드 에어가 선보인 고속 충전 기술로 300KW 급 급속 충전을 이용해서 10분 만에 240km가량을 주행할 수 있는 것으로 알고 있습니다.
그런데 여기 3분만 배터리 완충이 가능한 기술을 보유한 전기차가 있어 화제입니다. 엄밀히 말하면 완충된 배터리를 교체해 주는 것이지요.
우리는 오랫동안 배터리가 들어가는 전자제품을 경험하면서 배터리를 다 썼을 때 여분의 배터리로 교체하는 것이 가장 빠르고 쉬운 방법이라는 것을 이미 알고 있습니다.
사실 테슬라 역시 2016~2017년 파일럿 스테이션을 설치하여 배터리 스왑(Swap)에 대한 시범운영을 한 적이 있었습니다. 당시 교체 시간이 10분을 넘었고, 교체 당 80불 정도의 추가 비용이 발생했기 때문에 고객들의 외면을 받아야 했는데요. 중국의 스타트업 회사는 어떻게 이런 어려움을 극복할 수 있었을까요.
배터리 스왑(Swap)의 장점
중국의 니오라는 회사가 바로 그 주인공입니다. 2018년 5월 20일 중국의 니오(NIO)가 신천 난산 하이테크 산업단지에 중국 최초의 배터리 교체 스테이션을 설치합니다.
그러나 배터리 교체 스테이션에서는 70KWh의 배터리를 3분 만에 교체할 수 있다고 했으나 실제 6분 여가 소요되었고 , 스테이션 하나 당 한화 3~4억 수준을 비용 들어가야 했기 때문에 니오의 순항 예상한 사람을 거의 없었습니다.
역시나 니오는 차량 디자인의 도용 및 배터리 화재 등과 같은 크고 작은 문제들로 4년간 50억 달러의 손실을 기록하기도 했습니다.
2019년부터 정부의 배터리 스왑 보조금을 발판으로 빠르게 판매량을 늘려가더니 40,000대를 넘어서기에 이르렀습니다.
이런 실적이 가능했던 이유는 2년간 58개 도시에 배터리 교환소를 131개나 만들 정도의 인프라를 구축했기 때문입니다. 뿐만 아니라 일정 금액을 지불할 경우 원래 가지고 있는 용량보다 높은 KWh의 배터리를 렌트해 주는 배터리 렌트 시스템의 효과 때문이었습니다.
이런 니오의 배터리 스왑기술은 고객에게 다양한 서비스를 제공할 수 있습니다.
첫째로 내연기관차에 맞먹는 배터리 교환 속도로 인해 더 빠르고 편안한 전기차의 장점들을 누릴 수 있으며
둘째로 배터리 렌트를 통해 배터리를 충전하는데 필요한 관리기준에 신경을 쓸 필요가 없어졌다는 점입니다.
셋째로 배터리 스왑이 가능하기에 초기 차량 판매 시 배터리 금액을 제외한 가격경쟁력을 확보할 수 있어서 소비자는 더 낮은 가격으로 전기차 본체를 구매할 수 있고, 월 16만 원 정도만 지불하면 언제든 신규의 배터리를 교환할 수 있다는 점입니다.
니오의 배터리 스왑 서비스의 리스크
그러나 리스크도 분명합니다.
기존과 달리 배터리의 충전밀도의 발전은 이미 상상을 초월하고 있으며, 그에 비례하여 충전 속도도 빨라지고 있다는 것입니다. 향후 6~7년이면 충분히 충전 속도가 빠르고 용량이 충분한 배터리를 사용할 것으로 예상됩니다. 또한 지급보다도 충전소의 인프라 확장은 눈에 띄게 개선될 것이므로 더 이상 배터리 스왑에 따른 이점이 무의미 해 질 수 있습니다.
스마트 폰에 있어서 보조배터리를 가지고 다니다가 일체형 폰이 나오게 된 배경에 대해 그 교훈을 찾아봐야 할 것 같습니다. 충분한 배터리 성능이 확보된다면 더 이상 배터리 스왑에 대한 니즈는 없어질 수 있습니다.
그에 걸맞는 추가적인 메리트가 없다면 기존의 르노나 테슬라의 시도처럼 한순간 풍미한 과거의 회사로 전락할 수 있다는 점을 명심해야 할 것입니다.
배터리 시장 중에서 가장 큰 곳은 중국과 미국이라고 할 수 있습니다. 그런데 미중 갈등상황이 계속되면서 국내에 배터리 회사들은 선택을 강요한다 않는 상황에서 있어서 둘 사이에서 줄타기를 하고 있습니다. 국내에 배터리 제조사인 LG 에너지솔루션과 SK-On 등은 이미 미국 GM과 포드라는 글로벌 자동차 회사들과 합작을 통해 미국 내 배터리 공장을 투자하고 있는데요. 그에 반면 삼성 SDI에 경우 위상에 걸 맞지 않게 아직까지 경쟁사에 비애 투자 규모가 그리 크지 않은 상황입니다.
그런데 최근 삼성 SDI와 미국의 전기차 스타트업인 리비안의 미국내 합작사 투자 논의가 결렬 된 것으로 밝혀져 충격을 주고 있습니다.
관련된 소식통에 따르면 리비안의 무리한 요구 때문인 것으로 알려졌는데요. 사실 리비안는 제대로 된 생산실적이 없는 상태에서 작년 IPO를 통해 주식 시장에 상장된 후 단숨에 현대차의 기업 가치를 뛰어 넘었지만 아직까지 저조한 생산 실적 등으로 인해 지나치게 고평가 되었다라는 지적을 받고 있는 회사입니다.
리비안으로선 삼성 SDI와의 합작을 통해 안정적인 배터리 수급을 도모하고 또한 배터리 기술력을 확보하려는 전략이었을 텐데요. 그 마음이 너무 급했던지 삼성 SDI에 제조 기술 등 민감한 부분의 기술 공유를 요구 했다라는 소식입니다.
이러한 전기차 회사들의 갑질은 비단 리비안만의 일이 아닌데요. GM과 포드 역시 LG 에너지 솔루션과 SK On에 과도한 기술 공유 요청을 진행한 것으로 알려졌습니다.
배터리는 전기차 제조 원가의 30% 이상을 차지하는 중요한 부분입니다. 배터리를 내재화하고 기술력을 확보하는 것은 제조원가를 그만큼 낮출 수 있고 또한 전기차 시장에서의 경쟁력을 확보할 수 있는 필수적인 요소인 것이죠. 그렇기 때문에 아직 배터리 기술 확보하지 못한 전기차 회사들은 합작사 설립을 빌미로 배터리 회사의 기술력을 단숨에 흡수하고자 하는 꼼수를 부리는 것이죠. 글로벌 시장에서 K 배터리의 위상이 그만큼 높다라는 이야기 일텐데요. 하지만 고객사에 입장을 이용하여 부당하게 한국 배터리 기술을 갈취하려는 시도는 매우 파렴치하다고 생각됩니다. 이를 위해선 정부 차원에서 개선을 위한 방안이 모색되어야 하지 않을까 생각됩니다.
석연료를 대체할 신재생에너지를 상용화하는 데 있어서 가장 큰 걸림돌은 무엇일까요? 그것은 들쑥날쑥한 신재생에너지 공급으로 인한 간헐적 공급 즉 간헐성 문제의 해결에 있을 것입니다. 태양이 항상 밝게 비추거나 바람이 언제든지 불어 주지 않기 때문이지요. 이러한 신재생에너지의 간헐성을 해결하기 위해서는 경제성이 뒷받침되면서 오랫동안 에너지를 공급할 수 있는 저장 장치가 필수라고 하겠습니다.
풍력, 태양열, 지열, 원자력을 통한 전기에너.지를 저장하는 데 있어서 리튬이온배터리를 통한 80%의 전기를 단기간 저장하고 나머지 20%는 멀티 데이 저장소 운영이 필요합니다. 장기간 동안 전기 보관소를 운영하기 위해서는 비용 경쟁력이 있으면서 안정적인 배터리를 찾는 것이 중요하다 하겠습니다. 즉 에너지를 장기간 저장할 수 있는 저렴하고 안전한 배터리가 재생 에너지 부문의 핵심기술인 것이지요. 왜냐하면 저렴한 비용으로 풍력 및 태양열 변동성 문제를 제거할 수 있기 때문입니다.
다양한 스타트업들이 보다 발전되고 비용 효율적인 에너지 저장기술을 개발하기 위해 노력하고 있는데 Form Energy의 배터리 역시 그 중의 하나가 될 것입니다. MS의 빌 게이츠와 아마존의 제프 베이조스가 지원하는 Form의 철-공기 배터리(Iron-air-battery) 가 1년여 만에 비밀의 커튼을 걷고 세상에 그 모습을 드러냈습니다.
보스턴에 본사를 둔 이 회사(Form)는 자사의 첫 번째 상용 제품이 "기존 발전소와 경쟁하는 시스템 비용과 리튬 이온 비용은 1/10 이하 수준이며, 100시간 동안 전기를 공급할 수 있는 충전식 철-공기 배터리"라고 강조합니다. 프랑스 재무 자문가인 Lazard는 업계 표준 연례 보고서에서 대규모 리튬이온배터리의 LCOS(Levelized Cost Of Storage)를 $132-245/MWh로 보고 있습니다. Form의 배터리는 그 비용의 10분의 1로, 어느 정도 저렴한 에너지 스토리지 유형이라 할 수 있겠습니다. Form Energy 측은 "이 배터리는 수일 동안 지속적으로 사용할 수 있으며 안정적이고 완전히 재생 가능한 전기 그리드를 연중 내내 사용할 수 있습니다."라고 주장하고 있습니다.
이미 Form Energy의 철-공기 배터리에 대한 가능성을 알아보고 주변의 투자가 뒤를 있고 있는데요. Form Energy는 Bill Gates와 Jeff Bezos를 포함한 몇몇 유명 억만장자들이 후원하는 벤처 캐피털 회사인 Breakthrough Energy Ventures가 일부 소유하고 있습니다. 또한 Form Energy 투자자들 중에는 이탈리아의 거대 석유 기업인 Eni와 Macquarie Capital도 포함되어 있으며, Arcelor Mittal 역시 2,500만 달러를 투자했다고 밝혔습니다.
철-공기 배터리는 "철의 가역 산화"를 통해 작동합니다. 배출 모드에서는 수천 개의 작은 철 알갱이가 공기에 노출되어 녹이 슬게 됩니다(즉, 철이 산화철로 변함).이후 시스템이 전류로 충전되면 녹의 산소가 제거되고 다시 철로 돌아갑니다. 간단히 말해 산소를 들이마시고 철을 녹으로 바꾼 다음 녹을 다시 철로 바꾸고 산소를 내뿜어 배터리를 방전시키고 충전하는 구조입니다. 철-공기 배터리의 장점은 무엇보다도 손쉽게 확보할 수 있는 소재에 있습니다. 비싼 리튬 사용이 불필요하기 때문에 가격 역시 경쟁력 확보할 수 있습니다. 캐나다의 스타트 업 회사인 'Zinc8'은 2019년에 처음으로 상업용 제품을 선보이며 100시간 이상의 저장 공간을 제공할 수 있는 기술력을 갖춘 아연-공기 배터리 시스템을 배치할 것이라고 발표하기도 했습니다. 또한 시장가치가 11억 달러라고 주장하는 오리건 소재 ESS 사는 이미 철을 주성분으로 사용하는 배터리를 판매하고 있는 수준입니다.
작년 여름말 Form은 슬림 짐이라고 불리는 1미터 높이의 배터리를 만들었으며, 올해 초 1미터 x 1미터의 전면 배터리 셀 인 빅 짐(Big Jim)을 만들었습니다. 예상대로 작동하면 이 셀 중 20개가 배터리로 그룹화됩니다. 수천 개의 배터리가 서로 연결되어 창고 전체를 채우고 몇 주 분량의 전력을 저장할 것입니다. 이러한 배터리 시스템을 완전히 충전하는 데 며칠이 걸릴 수 있지만, 배터리는 150시간 동안 전력을 지속적으로 방전시킬 수 있는 상태입니다. 또한 2023년에 Form은 6일 이상 지속적으로 방전할 수 있는 1메가 와트 배터리를 배치할 계획이며 배터리 배치에 대해 여러 유틸리티 업체와 협의 중이라고 밝혔습니다.
그러나 일각에서는 MWh 당 20달러는 저렴한 수준이기는 하지만 에너지 공급 가능성을 고려하면 10달러 미만까지 내려가야 기존의 에너지원을 의미 있게 대체할 수 있다고 보고 있습니다. 그렇지만 배터리에 대한 비용 효율은 날이 다르게 개선되고 있는 점을 볼 때 기존의 화석연료를 대체하는 것은 시간문제라고 보입니다.
그중 양극재의 성분에 따라 삼원계 혹은 리튬인산철로 구분하는데요. 배터리의 성능을 좌우하는 매우 한 요소입니다.
어떤 화학적 성분을 조합하는가에 따라 해당 배터리의 에너지 밀도를 좌우하기 때문입니다. 더욱이 배터리 원가를 좌우하는 요소이기에 더욱 중요할 수밖에 없는 것이죠.
요즘 같이 리튬이온 배터리의 화재사건으로 인한 리콜등으로 떠들썩한데 중국에서 만드는 리튬인산철 배터리는 화재가 안 난다고 해서 더욱 관심을 끌고 있는 것 같습니다.
그러나 사실만 놓고 보자면 리튬인산철 배터리 역시 화재위험성을 내포하고 있습니다.
근본적으로 리튬이온 배터리는 화재에 취약합니다만 그중에서도 3원계보다 상대적으로 안정적인 수준이라고 보는 것이 맞겠습니다.
삼원계 리튬이온에서 발생하는 열폭주현상 발생률이 상대적으로 낮은 배터리다 라고 이해하시면 될 것 같습니다.
리튬이온 배터리 구분
NCO : 니켈 + 코발트 산화물
NCM : 니켈 + 코발트 + 망간
NCA : 니켈 + 코발트 + 알루미늄
NCMA : 니켈 + 코발트 + 망간 + 알루미늄
LFP : 리튬 + 인산+철
위 화학성분의 조합 중 니켈 코발트 망간을 사용하는 배터리를 삼원계 배터리라 하고 리튬 인산 철을 사용하면 LFP 배터리라고 합니다.
LFP 배터리는 주로 중국의 업체들이 생산을 하고 있습니다. 이유는 초기 전략적인 선택에 의한 것이었는데 한국이나 일본은 배터리의 에너지 밀도면에서 우수한 삼원계를 택한 반면에 중국은 비교적 경제적인 리튬인산철 배터리를 선택하게 된 것이지요.
대표적인 제조사
1) 삼원계 (NCM) : 삼성 SDI, LG엔솔, 파나소닉, BYD
2) LFP : CATL, 완샹(A123), S-Volt, 파라시스
CATL 각형 LFP 배터리
최근 리튬이온의 화재 리콜뿐만 아니라 테슬라 모델 3에 사용되면서 새롭게 부각을 받게 되었습니다.
일단 테슬라의 선택을 받았다는데서 오는 로열티가 상당했기 때문인데요.
2020년 대비 리튬인산철 배터리 누적 판매량은 30.8 GWh로 전년 대비 49.2% 급증한 반면 3원계 배터리 판매량은 34.8 GWh로 전년 대비 34.4% 줄었다고 합니다.
그러면 왜 리튬인산철 배터리의 판매량이 높게 된 것일까요?
LFP 배터리의 장점은 명확합니다.
첫째 삼원계 배터리 대비 저렴합니다.
둘째 안정성이 상대적으로 우수합니다.
셋째 충전 속도가 빠릅니다
단점으로는 삼원계 배터리 대비 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧고 철을 사용하여 상대적으로 무겁다는 데 있습니다. 삼원계 배터리의 밀도를 100%로 볼 때 60 ~80% 수준에 불과합니다.
중국의 CATL은 셀 투팩(Cell to Pack)이라는 기술을 통해서 기존의 리튬인산철 배터리의 단점을 보완한 것으로 유명합니다. 기존 셀(전지), 모듈, 배터리팩 등으로 구성된 단계에서 모듈을 없애거나 최소화해 셀에서 배터리팩으로 직행하는 새로운 패키징 기술을 적용한 것입니다.
그동안 중국에서 주력으로 생산되었던 리튬인산철 배터리에 대해서 국내의 LG에너지솔루션에서도 진지하게 검토하고 있는 것으로 알려졌습니다. 그동안 국내의 배터리 3사들은 3원계 배터리가 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 고수하고 있어 지만 화재라는 변수와 최대 고객사인 테슬라의 선택이 새로운 변화를 이끌어 낸 것으로 보입니다.
사실 테슬라와 같은 엔드유저의 입장에서 볼 때 프리미엄 배터리인가 저가 배터리인가는 중요한 문제가 아닙니다.
최종 제품의 단계에서 볼 때 가격경쟁력을 확보하면서 목표한 수준의 성능을 유지할 수 있다면 되는 것이지요.
성능면에서 월등히 좋다던가 또는 가격적인 메리트가 확실하다든가 하는 소구점이 무엇인가에 관한 문제인 것이지요.
최근 안정성 문제로 화제가 된 LG에너지솔루션에서는 파우치형 리튬인산철 배터리를 진행하는 것으로 알려져 있습니다. 안정성 면에서 개선이 될 지라고 기존에 가지고 있는 에너지 밀도의 향상이라는 과제를 어떻게 풀어갈지 궁금해집니다.
전기차에 있어서 안정성을 매우 중요한 요소입니다. 앞으로 전고체가 상용화되기 전까지 LFP 배터리가 주류가 될 것이 분명합니다. 확실한 우위의 솔루션이 나오지 않는다면 규모의 경제를 등에 없는 업체가 시장을 장악할 가능성이 매우 놓은 만큼 시장에서의 물량경쟁에서 밀리는 것은 매우 좋지 않습니다.
따라서 조금 시작인 늦었지만 파우치라는 플랫폼이 활용하여 기술적 우위를 점함으로써 물량과 안정성 두 마리 토끼를 모두 잡기를 바랍니다.
그동안에 혁신적인 횡보로 어려움을 극복하고 업계의 리더 자리에 올라선 만큼 분명 솔루션을 찾을 것이라 믿어 의심치 않습니다.
