박순혁님이 지으신 K배터리 레볼루션이라는 책을 읽었습니다.
국내 2차전지 산업에 대한 확고한 믿음을 가지신 분으로 관련하여 책도 쓰셨는데요,
개인적으로 많이 배울 수 있었습니다.
아래와 같이 읽은 내용을 공부해보았습니다 ㅎㅎ
1) 2차전지에서 에너지 밀도의 중요성
각 제조사에서 만드는 배터리 종류들의 성능을 비교하는 가장 중요한 기준이 바로 에너지밀도다.
현재 한국에서 생산되는 K 배터리의 주력 제품은 니켈 함량이 90% 수준에 이르는 NCMA(LG에너지솔루션 생산), NCM9(SK온 생산), Gen6(삼성SDI 생산) 등이다. 이 주력 배터리들의 에너지밀도는 305Wh/kg 수준이다. 이에 비해 중국의 주력 배터리인 LFP 배터리는 165Wh/kg의 에너지밀도를 갖고 있다.
NCMA 배터리와 LFP 배터리를 상호 비교하기 위해서는 분자 혹은 분모를 동일하게 놓고 차이점을 파악하면 된다. 먼저 분모인 무게를 동일하게 놓았을 때 NCMA는 LFP 대비 85%의 에너지를 더 저장할 수 있다. 전기차 배터리에 저장된 에너지가 85%가 더 많으면, 이 에너지로 1회 충천 주행거리를 더 늘릴 수도 있고, 가속력을 더 빠르게 할 수도 있으며, 짐을 더 많이 실을 수도, 실내 공간을 더 크게 만들 수도 있는 등 다양하게 활용이 가능하다.
2) 양극재가 배터리 산업의 핵심인 이유
우리가 흔히 양극재라고 부르는 건 정확히 표현하면 '양극활물질'이다.
오늘날 이차전지의 핵심인 리튬이온 배터리를 보면, 양극활물질이 리튬이온을 가지고 있다가 배터리를 충전할 때 음극으로 리튬이온을 제공하는 역할을 한다. 즉, 리튬이온 배터리에서 에너지 저장의 수단이 바로 리튬이다. 이때 어떵 양극활물질을 사용하느냐에 따라 리튬이온을 저장할 수 있는 양, 즉 에너지양과 전압이 전해진다.
좋은 양극활물질을 사용하면 적은 무게와 부피로도 많은 에너지를 저장할 수 있게 된다. 앞에서 살펴본 전기차 성능에서 가장 중요한 에너지밀도를 결정짓는 핵심 요소가 바로 양극활물질이고, 그러다 보니 양극재가 바로 배터리 산업의 심장이 되는 것이다.
3) 수소차가 필요한 이유
수소차가 필요한 진짜 이유는 송배전에 있다.
현재 전기차 한 대가 사용하는 전기는 4인 가족이 월간 사용하는 전기량과 같다. 즉, 모든 내연기관차들이 전기차로 전환되게 되면 모든 가정에 현재 사용하고 있는 전기량의 두 배만큼을 공급해야 한다는 말이 된다. 이게 가능하려면 도시의 송배전망을 지금의 두 배로 확장해야 하는데, 이게 쉽지 않다.
현재 웬만한 대도시의 송전망은 전부 지중화되어 있다. 이 지중화되어 있는 송전망을 모두 두 배로 확충하는 공사에는 엄청난 비용이 필요하다. 아파트 같은 집단주택에는 변압기가 있는데 이 또한 모두 두 배로 확충해야한다.
4) 하이니켈의 개념
니켈의 함량이 높아지면 안전성과 수명, 출력을 담당하는 코발트, 망간, 알루미늄의 함량은 그만큼 줄어들게 된다. 여기서 해결해야 할 문제가 발생한다.
더 좋은 성능의 배터리를 만들기 위해서는 니켈 함량이 높아져야 하는데, 그에 따라 화재안정성, 수명 등이 저하되는 문제를 해결해야 하는 기술적 과제가 따라오는 것이다.
안정성을 확보하면서 니켈 함량을 높여서 에너지밀도가 높은 양극재를 만드는 것이 바로 하이니켈 기술이다. 그리고 니켈 함량을 90% 수준까지 높인 것을 울트라 하이니켈 기술이라고 한다. 이 하이니켈 기술을 사용하면 그렇지 않은 것에 비해 20% 이상 더 싸면서 20% 이상 더 가볍고 20% 이상 더 밀리 가는 배터리를 만들 수 있다.
5) 중국업체가 LFP를 고집하는 이유
중국 업체가 LFP 양극재 배터리나 각형 폼팩터를 사용하는 이유는 기술적으로 우월하거나 경제적으로 저렴해서가 아니라 화재안정성을 확보하는 기술력이 부족하기 때문이다. 중국의 배터리 업체들은 기술력 부족과 화재 제어 능력 부족 등의 이유로 1위 업체 CATL을 제외하곤 거의 모두가 LFP 배터리 기술만 갖고 있다.
LFP 배터리는 에너지밀도가 많이 떨어져서 1회 충전 주행거리를 증가시키려면 배터리의 무게가 하염없이 커지게 된다. 그래서 어쩔 수 없이 30~50kWh급의 배터리를 만들 수밖에 없고, 그러다 보니 1회 충전 주행거리가 300km내외로 짧다. 게다가 LFP 배터리는 겨울이 되는 주행거리가 40~50% 수준으로 급격히 떨어진다.
이러다보니 중국 정부에서 내놓은 고육책이 바로 배터리 스왑 시스템이다.
6) 광물에 의존적이지 않은 수소차 산업
내연기관차 퇴출 과정에서 전기차 대신 다른 대안을 찾게 되지 않을까.
남은 대안은 수소 전기차가 될 것이다. 수소 전기차는 배터리 전기차에 비해 촉매에 사용되는 '백금'외에는 전혀 광물 의존적이지 않다는 장점이 있다.
현재는 가격 면에서 배터리 전기차의 상대가 되지 않지만, 광물 가격의 상승으로 배터리 가격이 지속 상승하게 되면 수소차의 가격 경쟁력이 확보되는 시점이 올 수 있을 것이고, 이 무렵에는 본격적인 수소 전기차 시대가 열리게 될 것이다.
7) 국가별 배터리 시장
대당 배터리 탑재 용량은 미국>유럽>중국 순서가 될 것이고, 대략 추정해보면 미국의 대당 평균 탑재 용량은 100kWh, 유럽 60kWh, 중국 40kWh 정도가 되지 않을까 예상된다. 이를 기반으로 각국 시장의 내연기관차가 100% 전기차로 전환된다고 가정하고 시장 규모를 계산해보면 미국 배터리 시장이 2TWh(100kWh X 2,000만대), 유럽 시장이 0.9TWh(60kWh X 1,500만대), 중국 시장이 1TWh(40kWh X 2,500만대)로 추정된다.
즉, 미국의 배터리 시장 규모는 유럽과 중국을 합친 것보다도 더 커질 것이고, 향후 배터리 시장의 왕좌는 미국 시장을 장악한 업체의 몫이 될 것이다.
8) 폼팩터
전기차용으로 가장 좋은 배터리 폼팩터는 파우치형이라는 사실을 살펴보았다.
파우치형 배터리는 배터리셀을 감싸는 케이스가 비닐 같은 재질이라 아주 가볍다. 부피가 적고 게다가 가격도 저렴해서 자동차용 이차전지로는 가장 우수한 폼팩터다. 문제는 파우치형은 화재와 외부 충격에 취약한 형태여서 만들기가 원통형, 각형이 비해 훨씬 어렵다. 게다가 제조공법과 관련한 다수의 특허, IP를 LG에너지솔루션이 미리 확보하고 있어, 이 기술들을 피해서 만들기도 매우 어렵다. 즉, 파우치형 배터리 산업은 가격과 품질 면에서 장점이 많지만 기술적 진입장벽이 견고해 후발 배터리 업체가 뛰어들기 어렵다.
이렇듯 높고 기술적 해자를 가진 파우치형 배터리를 만들 수 있는 업체는 세계에서 딱 두 개 회사밖에 없는데 하나는 LG에너지솔루션이고 다른 하나는 SK이노베이션 안에 물적 분할되어 비상장 상태로 존재하는 SK온이다.
파우치형 배터리가 전기차용으로는 가장 우수한 형태라는 데는 이론의 여지가 없다. 그러나 파우치형 배터리의 시장점유율은 2022년 1분기 기준 20.8%에 불과했다. 각형 배터리가 63.6%, 원통형 배터리가 15.6%를 점유했다. 혹자들은 이 점유율을 근거로 파우치형 배터리보다 각형 배터리 산업이 더 성장할 것이라 말하는데 이러한 점유율이 나오는 이유는 다음과 같다.
우선 중국의 CATL, BYD가 각형 배터리밖에 만들지 못하는데, 60% 수준의 전기차 점유율을 중국이 차지하고 있는 '중국 착시'효과를 감안해야 한다. 물론 향후 원통형 배터리와 각형 배터리도 일정 부분 시장점유율을 가질 것이다.
그 이유는 자동차 제조사와 배터리 업체 간의 주도권 관계가 있다. 파우치형 배터리는 비정형 형태여서 차량별 맞춤형 형태로 제작되기 때문에 특정 자동차 모델에서 일단 파우치형 배터리를 선택할 경우 그 모델이 단종될 때까지 최초 납품한 배터리 회사 것만 계속 사용해야 한다.
이 경우 자칫 자동차 제조아가 배터리 회사에 종속될 수 있다는 리스크가 생긴다.
9) LG에너지솔루션의 큰 강점 2가지
① LG화학이라는 전통적인 화학 회사에서부터 시작했기에 기술의 기초가 아주 탄탄한 회사.
모회사 격인 LG화학이 양극재, 음극재, 전해액, 분리막, CNT 도전재 등 다양한 배터리 기초 소재 기술을 확보하고 있기 때문에 기술 자립도가 아주 높다. 특히 양극재는 배터리 원가의 50%를 차지하는 아주 중요한 소재로, 배터리의 성능을 결정적으로 좌우하는 '소재중의 왕'의 위치에 있다. LG에너지솔루션이 이 양극재를 계열인 LG화학으로부터 안정적으로 조달받을 수 있다는 것이 결정적인 장점이다.
② 파우치형과 원통형 두 가지 폼팩터를 다 생산할 수 있다는 장점.
두 가지 폼팩터를 다 공급함으로써 다양한 고객 니즈에 대응이 가능하다. 그 결과 글로벌 톱10 자동차 브랜드 중에서 무려 9개의 회사가 LG에너지솔루션의 고객이다.
이런 장점을 바탕으로 2022년 말까지 호가정된 LG에너지솔루션의 수주 잔고는 380조 원에 달한다. 2022년 예상 매출액이 20조 원을 갓 넘는 수준인 걸 감안하면 현 매출액의 무려 19배에 달하는 미래의 매출을 이미 확보해놓은 셈이다. 정말 어마어마한 성장세가 기대되지 않을 수 없다.
10) 전고체배터리
전고체 배터리는 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 높다. 폭발이나 화재의 위험성이 적기 때문에 안전성과 관련된 부품들을 줄이고 그 자리에 배터리의 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채우기 때문이다.
11) 나노신소재
전기차의 충전은 음극재와 관련이 있다. 구체적으로 말하면 충전 속도를 높이기 위해서는 흑연으로 구성된 음극재 안에 실리콘의 함량을 높이는 기술이 필요하다. 그러다보니 실리콘 음극재 기술이 차세대 중요한 배터리 기술로 대두되고 있다.
이 실리콘 음극재에서 나노신소재의 CNT도전재 기술이 부각되고 있다.
2000년에 설립된 나노신소재는 2011년 2월에 코스닥에 상장되었다. 나노신소재가 가진 CNT 도전재 기술은 덴트라이트 현상과 관련이 있다. 음극재에 실리콘 함량을 높이면 충전 속도가 빨라지고, 에너지밀도가 향상되는 장점이 있다. 문제는 덴트라이트 현상이다. 덴트라이트는 배터리 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체로, 수지상결정이라고도 한다.
덴트라이트가 생성되면 리튬이 음극과 양극을 이동하는 것을 방해해 배터리의 성능이 저하되고 분리막이 훼손되어 화재를 일으키기도 한다. 이로 인해 배터리 수명과 안전성이 떨어지는 문제가 생긴다. 이를 해결하는 데 필요한 것이 바로 CNT(탄소나노튜브) 도전재다. 이 분야에서 세계 최고의 기술력을 가지고 있는 회사가 바로 나노신소재다.
12) 이차전지는 광물 의존 산업
갑을관계를 볼 때 소수의 배터리 회사가 전기차 제조사에 비해 갑의 위치에 있고, 더 소수의 울트라 하이니켈 양극재 업체가 배터리 제조사에 갑이고, 광물과 소재를 확보한 회사가 '갑 중의 갑'의 위치에 있다.
13) 에코프로그룹
에코프로그룹의 구성을 보면, 지주사 에코프로 아래에 글로벌 최고의 양극재 회사 에코프로비엠이 있고, 그 외에도 보석같은 자회사들이 다수 포진하고 있다.
먼저 라틴아메리카 등에서 저순도의 탄산리튬을 들여와 자동차용 고순도 수산화리튬으로 전환하는 에코프로이노베이션이 있다. 에코프로머티리얼즈는 양극재의 전 단계인 전구체를 생산하는 회사로, 국내 최대의 생산규모를 자랑한다.
폐배터리 리사이클 사업을 담당하는 에코프로CNG도 현재 국내에서 가장 큰 규모로 사업을 진행하고 있다. 그럼에도 에코프로비엠이 10조 원 정도의 시가총액인데 비해 에코프로그룹의 지주사이며 에코프로비엠의 지분율 50% 정도를 보유한 에코프로는 고작 3조 원 정도의 시가총액에 불과하다. 이런 기업의 동반자가 되는 것이 얼마나 큰 부를 가져다줄지는 너무 쉽게 예상되지 않는가.
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