배터리 산업 발전을 위해 해결해야 할 과제

1. 배터리 가격문제

'가격 인하'는 배터리 업계의 핵심 비전입니다. 전기차는 내연기관차에 비해 수백~수천만 원 비싼 가격대를 형성하고 있습니다. 원인은 배터리 가격입니다. 원가에 약 40%를 차지하는 배터리 가격이 낮아져야 전기차의 가격이 안정화되어 전기차로의 전환이 수월해질 것입니다.

 

현재 배터리 업계는 kWh당 배터리팩 가격을 100달러 이하로 낮추는 것을 목표하고 있습니다. 이 가격은 전기차 경쟁력의 기준점이 됩니다. 배터리팩 가격이 kWh당 100달러 이하면 전기차와 내연기관차의 유지 비용이 같아질 것으로 전망하기 때문입니다.

 

 

2019년 배터리 가격은 156달러 선이었고, 현재는 약 120달러 수준으로 보입니다. 가격은 계속해서 하락해 2024년까지 94달러 수준을 바라보고 있습니다.

 

배터리 가격에 영향을 미치는 요소는 다양합니다. 그중 핵심 요인은 양극재입니다. 배터리 원가에 약 37%를 차지하고 있습니다. 양극재는 리튬(Li), 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 알루미늄(Ai)으로 구성되어 있습니다.

 

각 원소는 특징을 가지고 있습니다. 니켈(Ni)의 함유량이 높아지면 용량이 커집니다. 망간(Mn)의 함유량이 높아지면 가격이 낮아지고, 열 안전성이 높아집니다. 코발트(Co)의 함유량이 높아지면 배터리 수명이 늘어납니다. 알루미늄(Ai)은 출력 특성을 향상시킵니다. 원소의 적절한 조합이 좋은 양극재 성분을 구성하게 됩니다.

 

출처 - 한국투자증권(양극재별 특성)

최근에는 니켈의 함유량을 높여 고밀도 배터리를 생산하고자 노력하고 있습니다. 최근 가장 높은 에너지 밀도를 가진 배터리는 ‘NCM811’을 사용했습니다. 이것은 에너지 밀도가 높음과 더불어 높은 가격대를 형성하는 ‘코발트’ 함유가 낮아져 가격이 낮아지는 원인이 되었습니다. 2019년 NCM811의 점유율은 약 7.8% 수준이었습니다. 2020년 현재는 41%까지 늘어났습니다.

 

출처 - (그래픽=이민지 기자 leem1029@)

국내 배터리 업체를 보면, NCM의 발전 계획을 볼 수 있습니다. 또한, NCM뿐 아니라NCA, LFP, NCMA, LFMP, 원통형 배터리(21700 규격) 등 여러 종류의 배터리의 개발이 진행되고 있습니다. 이렇게 배터리 제조사들은 배터리 기술을 발전시켜 가격을 인하하는 방식을 취하고 있습니다.

 

양극재 이 외 공정 혁신, 원재료 가격 인하, 대량 제조 등 다양한 방법들을 통해 배터리 가격을 인하하는 기술을 발전시키고 있는 상황입니다.

 

 

배터리 업계는 전기차 제조사와 협력하며 상황을 주시하고 있습니다. 전기차 제조사의 제품 출시 로드맵을 보면 대다수 기업이 전기차 출시를 앞두고 있습니다. 최근 테슬라가 모델3를 발표했습니다. 현재 전기차 중 모델3에 대응할 수 있는 제품은 없습니다. 그런데, 2020년 하반기 폭스바겐 ID3 출시를 시작으로 리비안, 테슬라 사이버트럭, 현대 NE시리즈, 2021년 하반기에는 포드 픽업트럭 F150 일렉트릭 ... 등 전기차가 쏟아져 나올 전망입니다. 배터리 업계는 가격 인하와 동시에 성능, 물량 확보가 필요한 상황에 놓이게 되었습니다.

 

2. 배터리 성능(용량, 안전, 수명, 충전 속도 등)문제

https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/26/2020082602920.html

 

안전성 문제에 대해 살펴보겠습니다.

전기차 화재 이슈가 전 세계적으로 발생하고 있습니다. 중국에서 8월에 GAC AionS 모델에 3번의 화재가 발생했습니다. 탑재된 배터리는 CATL의 NCM523, NCM811입니다. BAIC에 EU5 모델에 화재가 발생했습니다. CTAL의 NCM811이 탑재됐습니다. 현대 Kona EV도 화재 이슈가 있습니다. LG화학의 NCM622이 탑재됐습니다. 2020년 1~8월까지 화재 발생 수는 31건입니다. 대부분 NCM 계열에서 화재가 발생했습니다. 화재 원인은 대부분 충전 중 자연발화입니다. 다음은 운행 중 자기점화입니다.

 

화재의 근본 원인은 배터리 구조입니다. 에너지 밀도를 위해 니켈의 수가 많아지고 있습니다. 니켈이 많아질수록 온도에 견디는 힘이 약해집니다. 온도가 높아지면 니켈, 코발트, 망간과 결합되어 있는 산소 입자가 다른 양극재 대비 쉽게 분리되어 화재에 취약해지는 것입니다.

 

이것을 극복하기 위해 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 실리콘, 지르코늄 등 각종 첨가제를 넣어 양극재를 강화하는 기술이 주목받고 있습니다. 배터리 산업은 이제 막 진행되고 있고, 발전의 여지가 무궁무진합니다. 이때 안전성 문제가 발생한다면 점유율 확보에 큰 어려움을 겪을 수 있습니다. 이것은 단순 금액으로 환산할 수 있는 부분이 아닙니다. 그렇기에 화재를 예방하는, 안전성을 갖는 제품 생산에 박차를 가해야 합니다. 이러한 문제 속에서 LG화학은 NCM811의 양산 시기를 2021년으로 보고 있습니다.

 

수명과 충전시간 문제에 대해 알아보겠습니다.

 

최근 NGBS 2020에서 LG화학은 편의성·급속충전을 주요 이슈로 꼽았습니다. 전기차는 충방전이 지속될수록 배터리 수명이 감소합니다. 또한, 전기차 충전시간은 내연기관 대비 오랜 시간을 요구합니다. 전기차 대중화를 위해 급속충전 기술력과 수명을 늘릴 수 있는 기술이 필요합니다. 이것을 담당하는 것은 음극재입니다.

 

출처 - 포스코케미칼

음극재는 배터리를 충전할 때 양극에서 나오는 전자를 받아들이는 역할을 합니다. 음극의 개선이 이루어지지 않으면 충전기에서 많은 전기를 보내줘도 음극이 리튬이온을 받지 못하게 됩니다.

 

현재 가장 많이 사용되는 음극재는 천연흑연, 인조흑연, 실리콘 복합계가 소형 첨가되는 순입니다. 천연흑연은 가격에 강점이 있습니다. 하지만 에너지 밀도가 370mAh/g이 한계입니다. 인조흑연은 수명과 안전성에 강점이 있습니다. 하지만 천연흑연 대비 높은 가격대를 형성합니다. 실리콘은 흑연보다 10배 이상의 에너지 용량을 가지고 있습니다. 하지만 매우 높은 가격대를 형성하고, 구조적으로 팽창하는 문제가 있습니다. 현재는 천연흑연과 인조흑연을 섞어서 사용하거나, 천연흑연에 실리콘 복합계를 소량(5% 수준) 첨가하고 있습니다.

 

실리콘 음극재의 개선 방향은 3가지 문제가 해결되어야 합니다. 1. 나노화된 실리콘을 사용하는 방법. 2. 산화 실리콘 복합물을 만드는 것. 3. 카본으로 코팅하는 방법입니다. 입자를 특수한 공법으로 만드는 프로세스는 양극재 개선에서도 많이 사용됩니다. 이렇듯 양·음극재에서 입자 개선을 위해 새로운 소재를 넣어 코팅하거나 첨가를 하는 등 개선 기술들이 적용되고 있습니다.

 

http://www.mediapen.com/news/view/524969

코로나19 이후 전기차 시장전망 세미나에서 LG화학 김제영 상무는 "전 세계 배터리 기업 가운데 LG화학, 파나소닉 두 곳만 음극재에 실리콘을 사용하고 있다"며 "1000~2000회 충방전이 이뤄지더라도 배터리 변형을 최소화할 수 있다."고 밝혔습니다. 음극재 실리콘의 위치를 알 수 있는 대목이었습니다.

 

3. 배터리 외 유관 산업의 발전성

1) 전기차 충전사업

이미 많은 기업이 충전소 사업에 뛰어들고 있습니다. 전기차가 폭발적으로 증가할 것은 예정된 사실입니다. 전기차와 관련된 인프라를 갖추는 것이 중요해지고 있습니다. 충전기는 충전 출력에 따라 급속, 완속으로 구분하고 국가별로 표준 및 유형은 상이합니다. 국가마다 사용되는 소켓과 커넥터가 차이가 있으나, 급속충전의 경우 유럽과 미국에서 CCS 방식을 표준으로 채택하여 주목받고 있습니다. 우리나라는 공공 급속충전기를 CCS 방식으로 통일하여 구축을 추진 중입니다. 일본은 차데모 방식을 고수하고 있고, 테슬라는 기술 공개를 통해 자사 충전기의 국제표준화를 시도했으나, 경쟁 관계인 자동차 제조사와 충전기 제조사가 채택하지 않아 무산됐습니다.

 

전기차 배터리 용량 증가와 소비자의 짧은 충전시간 선호도 상승으로 급속충전기의 충전용량이 급증할 것으로 예상됩니다. 더불어 기술 개발로 전기차 배터리의 용량당 가격이 하락하면서 배터리가 대형화되어 급속충전기 용량도 증가할 것으로 예상됩니다. 현재 공공 급속충전기 용량은 50kW 위주이나, 기술 개발로 최대 350kW까지 확대가 예상되고 순수 전기차 주행거리 개선에 따라 친환경자동차 시장 내 전기차 비중이 확대할 전망입니다.

 

추가적으로, 전기차 무선 충전 기술이 발전하고 있습니다.

 

충전 패드로 통하는 송신부에 올려놓기만 해도 배터리가 충전되는 기술입니다. 송신부가 강력한 자기장을 형성하면 그 자기장이 전류로 바뀌는데 기기에 내장된 수신기가 해당 전류를 전달받아 전기에너지로 저장하는 원리입니다.

위 그림은 도로 위를 달리는 전기차를 실시간으로 무선 충전하는 기술입니다. 도로 바닥에 전기공급 시설을 갖추고 자기장 등을 통해 차량에 전기를 제공하는 방식입니다. 도로가 전기차의 무선충전기 역할을 하게 되는 셈입니다.

 

2) 폐배터리 리사이클링 사업

 

약 2025년 쯤, 2020년 초에 생성된 모델들이 폐차가 시작되는 시점입니다. 이 시점에서 전기차에 배터리를 리사이클링하는 산업이 떠오를 것으로 예상됩니다. 전기차용 배터리는 단순히 쓰고 남은 전지 수준이 아닙니다. 전기차 생산원가의 40~50%를 차지하는 핵심 부품이면서 각종 희유금속의 보고입니다. 폐배터리의 충전능력이 초기 대비 70% 안팎만 유지된다면 ESS(대용량에너지저장장치) 등에 얼마든지 다시 사용할 수 있습니다. 폐배터리를 재사용한 ESS는 단가가 신제품의 40~70% 수준으로 저렴합니다.

재사용이 어려울 정도로 노후화된 배터리라도 하이니켈, 코발트, 리튬 등 값비싼 원자재를 추출해 쓸 수 있습니다. 최근 이차전지 수요가 높아지면서 코발트는 품귀현상을 빚고 리튬은 가격이 3배 이상 오르기도 했습니다. 업계에선 폐배터리 성분 중 80% 이상을 재활용할 수 있다고 보고 있습니다.

폐배터리를 처리해야 하는 입장에서도 환경 리스크를 피할 수 있습니다. 폐배터리의 원료인 코발트, 니켈 등을 폐기·매립하면 환경에 치명적입니다. 재활용이 윈윈전략입니다.

현대차와 삼성SDI, SK이노베이션, LG화학, 한화솔루션(한화큐셀) 등이 앞다퉈 이 사업에 나서고 있습니다. 한화큐셀과 OCI 등 국내 태양광 업계는 현대차의 폐배터리를 재활용한 태양광 연계 ESS 사업을 구축하기 시작했습니다.

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지금까지 '배터리 산업의 미래 로드맵'을 주제로 여러 내용을 다뤄보았습니다. 사실, 배터리 산업은 이 내용에 담을 수 없을만큼 거대하고, 많은 연구가 진행되고 있습니다. 글을 정리하면서도 필요한 내용을 더 담지 못한것이 아쉽습니다. 개요를 잡고, 구성을 짜는 것에 어려움도 느끼고 전문 지식의 한계도 보였습니다. 더 깊게 공부해 양질의 내용을 전해드리도록 하겠습니다. 감사합니다.

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