(책책책) 배터리 워 : 강희종 (f. 전기차가 대세가 되는 시점은? 그 외 다양한 기술 잔치의 시작 - 전고체, ESS 등)

 

교보문고

안녕하세요. 뜬구름홍입니다.

 

와우. 배터리 관련 책을 읽어봤습니다.

 

저는 회사에서도 전기차를 일찌감치? (2017년부터) 타고 다녔었습니다. 그 당시에는 완충해도 400km 가? 안 되는 수준이었죠.

 

에어컨을 틀면 50km 가 바로 삭제되고 히터를 틀면 100km까지나 주행거리가 줄어드는 경험을 했었습니다.

 

얼마 안 남았을 때는 회생제동을 4단계 최고로 올리면서 울컥 울컥하며 주행했던 기억도 있네요.

(한 번은 거북이 모양이 되어서 시속 20km 이상? 나가지 않았던 경험도 있었네요 하하하. 다행히 회사까지는 잘 복귀했었답니다)

 

그래서 전기차에 거부감은 없습니다.

 

비록 지금은 내연기관차를 타고 있지만 저는 미래에 하이브리드보다는 100% 순수 전기차로 자동차를 바꿀 것 같네요.

 

주변에 배터리 관련 업에 다니는 지인들도 있지만 사실, 너무 무지했습니다. 배터리에 관해서는 거요.

 

다행히? 배터리 관련 지식에 목말라있던 찰나에 이런 책을 읽게 되어 너무나 행복했습니다.

 

다 읽은 지금. 배터리 기술에 전혀 거부감도 없고 두렵지도 않습니다. 책은 다소 두껍지만(600페이지) 배터리 역사를 알아본다는 생각으로 읽는다면 부담 없으실 겁니다.

 

그럼 바로 보시죠!

 

* 도서출판사 '부키'로부터 도서를 기증받아 리뷰한 내용입니다. 다소 주관적인 의견이 포함되어 있으니 참고해 주시기 바랍니다^^

 

(책 속에서)

 

시기의 차이가 있을 뿐 전기차가 미래 이동 수단의 주류로 자리매김하리라는 것을 부인하는 사람은 많지 않다. 전기차의 핵심은 배터리, 그 중에서도 리튬이온 배터리다.

 

기술적으로 리튬이온 배터리를 양분하고 있는 것이 NCM(니켈, 코발트, 망간), NCA(니켈, 코발트, 알루미늄) 등 삼원계 배터리와 LFP(리튬인산철) 배터리다.

 

현재 삼원계 배터리와 LFP 배터리 중 어떤 기술이 시장을 이끌 것인가를 두고 치열한 경쟁이 벌어지고 있다.

 

그리고 그 중심에 한국과 중국이 있다.

 

(중략)

 

NCM, NCA 등 삼원계 배터리는 에너지 밀도가 높아 1회 충전 시 주행거리를 늘릴 수 있으나 가격이 다소 비싸다.

 

이에 비해 BYD, CATL 등 중국 기업들은 초기부터 양극재에 인산과 철을 사용한 LFP 배터리를 주력 제품으로 사용했다.

 

LFP 배터리는 삼원계 배터리에 비해 저렴하고 안정성이 높지만 에너지 밀도가 낮아 그동안 저가형 전기차에 탑재되었다.

 

(중략)

 

한편 아르곤국립연구소와 NCM 특허 라이선스를 맺은 토다공업은 2011년 삼성정밀화학과 합작 회사인 에스티엠을 설립해 이차전지 양극재 개발에 나섰다. 초기 지분 비율은 50 대 50이었으나 이후 삼성정밀화학이 지분을 58%까지 확대했다.

 

에스티엠은 울산 공장에서 양극재를 생산해 삼성SDI에 납품했다. 2015년 삼성그룹이 석유화학 계열사를 매각하면서 삼성정밀화학의 전지 소재 사업부와 에스티엠은 삼성SDI로 이관되었다.

 

에스티엠은 현재 삼성SDI의 100% 자회사다.

 

(중략)

 

한국 기업들이 LFP 개발과 생산에 나서더라도 결국 승부처는 삼원계 배터리가 될 것이라는 분석도 있다.

 

삼성증권은 <LFP 공성 2차전>에서 "한국이 단시간 내에 전기차용 배터리 시장에서 LFP로 가격 경쟁력을 확보하기가 쉽지 않을 것"이라면서 "LFP가 아닌 망간계 제품(코발트 프리 NMx, 망간리치 LLO 등)으로 제품 포트폴리오를 넓히거나 ESS 시장에서 프로젝트성으로 시장 수요에 대응하면서 자체 생태계 구축과 제품 경쟁력을 키워가는 방향이 필요하다"라고 제안했다.

 

(중략)

 

뒤늦게 LFP 배터리 개발과 생산에 뛰어들었지만 이미 앞서간 중국을 따라잡기는 쉽지 않은 상황이다. 이에 한국의 배터리 및 소재 기업들이 대안으로 찾고 있는 기술이 단결정과 고전압, 미드니켈이다.

 

한국이 강점이 있는 기술을 더욱 발전시켜 성능과 가격 측면에서 LFP에 대적할 만한 새로운 배터리를 내놓겠다는 전략이다.

 

(중략)

 

이에 국내 기업들이 비장의 무기로 내세우고 있는 것이 단결정 입자의 고전압 미드니켈 배터리다.

 

LFP와 경쟁할 만한 가격에 하이니켈 NCM에 버금가는 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대되는 제품이다.

 

(중략)

 

고전압을 추구하는 것은 니켈 함량을 줄이면서 에너지 용량이 감소하는 것을 상쇄할 수 있기 때문이다. 니켈을 줄이면 에너지 용량이 감소하고 이는 에너지 밀도 하락으로 이어진다.

 

그런데 '에너지 밀도 = 용량 X 전압' 이므로 전압을 높이면 용량이 감소하더라도 에너지 밀도를 유지할 수 있게 된다.

 

(중략)

 

단결정이란 양극재를 구성하는 단위 입자가 하나의 결정 형태를 이루고 있는 것을 말한다. 니켈, 코발트, 망간 등 여러 금속을 하나의 입자 형상으로 만든 것이다. (중략) 다결정 양극재는 압연 공정에서 깨지기 쉽다. 특히 충전과 방전을 반복할수록 소재 사이에 균열이 발생하고 이 틈으로 전해액이 침투하면서 소재와 부반응을 일으키며 가스가 발생한다.

 

(중략)

 

전고체 배터리는 전부 고체 소재를 이용해 만든 배터리를 말한다. 구조적으로는 기존 리튬이온 배터리의 4대 소재(양극, 음극, 분리막, 전해액/전해질) 중 액체 상태인 전해액을 고체로 바꾸고 분리막을 없앤 형태다.

 

(중략)

 

여러 기술적 난제로 인해 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 높은 가격으로 책정될 것으로 보인다. 초기 전고체 배터리 시장은 매우 작은 규모로 형성될 전망이다.

 

시장 조사 업체인 SNE리서치는 2030년 전기차용 전고체 배터리 시장은 131GWh로 전체의 4%에 불과할 것으로 내다봤다.

 

가장 적극적인 삼성SDI 조차 2030년 시장 규모를 40GWh로 보고 있다.

 

(중략)

 

원통형 배터리는 우리가 흔히 일반적으로 접하는 AA크기 건전지처럼 둥근 원통 모양이다. 원통형은 역사가 가장 오래된 방식인만큼 규격이 표준화되어 있다.

 

대량 생산이 가능해 생산 비용이 적게 든다는 장점이 있다.

 

원통형 배터리를 가장 선호하는 곳이 테슬라다.

 

(중략)

 

원통형 배터리를 묶어서 모듈화했을 때 구조상 빈 공간이 생길 수 밖에 없다. 이는 단점이 되기도 하고 장점이 되기도 한다.

 

빈 공간으로 인해 부피당 에너지 밀도가 떨어진다는 것은 단점이다. 하지만 열 관리에 용이하다는 것은 장점이다.

 

각형과 파우치형 배터리는 원통형 배터리가 갖고 있는 '죽은 공간'의 문제를 극복하기 위한 고민에서 비롯되었다. 배터리를 각지거나 납작하게 만든다면 공간 효율성을 높여 같은 공간에 더 많은 배터리를 넣을 수 있고 에너지 밀도를 끌어올릴 수 있게 된다.

 

(중략)

 

각형 배터리는 셀을 보호하기 위해 두꺼운 외장재를 사용하기 때문에 파우치형에 비해 무겁다. 배터리 간 간격이 좁아 열 관리가 어렵다는 단점도 있다.

 

파우치형 배터리는 얇게 만들 수 있기 때문에 스마트폰 등 얇은 두께의 전자 기기에 많이 쓰였다. 공간 효율성이 높아 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차에도 많이 채택되고 있다.

 

여러 가지 형태로 변형이 가능해 맞춤 제작이 가능하다는 장점도 있다.

 

하지만 다른 유형에 비해 물리적인 강도가 낮고 공정이 복잡해 생산 비용이 높다는 단점이 있다.

 

(중략)

 

전기차 제조사들이 46시리즈에 주목하는 것은 여러 이점이 있기 때문이다. 우선 경제성이다. 크기가 커진 만큼 전기차에 들어가는 배터리 개수를 줄일 수 있다.

 

모델Y의 경우 2170 배터리가 4400개 들어가지만 4680 배터리로 교체하면 828개만 필요하다. 셀 개수가 줄어드는 만큼 부수적인 부품 수도 줄어들어 제조 비용을 아낄 수 있다.

 

(중략)

 

기업들이 이처럼 적극 나서는 것은 충전소 시장이 황금알을 낳는 거위로 인식되고 있기 때문이다. 하지만 충전 사업자가 워낙 난립해 있는 데다 경쟁도 심해 아직 수익성은 부족한 것으로 파악된다.

(중략)

충전기 설치 비용은 완속이냐 급속이냐에 따라 천차만별인데, 급속 충전기 설치 비용은 대당 4000만~1억 원에 달하는 것으로 알려져 있다.

 

(중략)

 

ESS는 에너지, 특히 전기 에너지를 저장하는 장치를 통칭하는 말이다.

 

한번 생산한 전기는 가둘 수 없다. 그래서 예전부터 전기가 남아돌 때 저장했다가 부족할 때 쓸 수 있는 다양한 방법을 생각해냈다.

(중략)

리튬이온 배터리가 등장한 이후로는 이차전지를 활용한 ESS가 대세를 이루고 있다. 최근 거의 모든 ESS는 리튬이온 배터리를 이용하고 있다.

 

리튬이온 배터리는 다른 배터리에 비해 높은 에너지 밀도와 에너지 효율, 수명 측면에서 강점을 지니고 있다. 또 전기차의 확산으로 리튬이온 배터리를 대량 생산할 수 있게 됨에 따라 가격도 크게 낮아졌다.

 

(중략)

 

ESS는 예전에는 UPS(무정전 정원 장치)로 많이 쓰였다. 일시적 단전 등으로 인해 빌딩 등에서 전력을 공급받을 수 없는 때 비상용으로 전력을 공급하는 역할이다.

 

근래에는 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 보급과 함께 ESS가 신재생에너지의 품질을 높이는 용도로 많이 쓰인다.

 

신재생에너지는 생산이 일정하지 않아서 전압과 주파수가 불안정한데 이는 전력 계통에 부담을 준다. 주파수가 급격히 변하면 전력 기기가 고장을 일으킬 수 있는 것이다.

 

이때 ESS를 사용하면 주파수와 전압을 조정해 전력 계통을 안정적으로 운용할 수 있다.

 

(중략)

 

ESS는 이 같은 재생에너지의 편중 현상을 누그러뜨릴 수 있다. 미국의 경우 서부는 태양광, 중부는 풍력 자원이 풍부하다. 향후 재생에너지 비중이 증가할수록 재생에너지 자원이 많은 지역에서 초과 발전이 발생할 수밖에 없는데 이를 저장하거나 다른 지역으로 보낼 필요성이 증가하게 된다.

 

ESS는 이 같은 재생에너지의 부작용을 해결할 수 있는 근본적인 방법이 될 수 있다.

 

(중략)

 

전기차 판매 증가세는 2021년 최고점을 찍었다. 하지만 그 후 증가세가 눈에 띄게 감소했다. 시장에서는 캐즘이라는 분석이 나왔다. 전기차 수요가 갑자기 정체된 이유는 무엇이었을까?

 

필자가 만나본 시장 전문가들이 전기차 캐즘의 원인으로 가장 많이 꼽은 것은 가격이다. 장정훈 삼성증권 이사는 필자와 인터뷰에서 "전기차는 원래 비싼 차였는데 보조금 때문에 값이 저렴해서 잘 팔렸던 것"이라며 "캐즘의 가장 근본적인 원인은 각국이 보조금을 줄인 데 있다"라고 설명했다.

 

(중략)

 

테크 전문지 <와이어드>가 2024년 8월 보도한 바에 따르면 아우디 e-트론, 포드 머스탱 마하-E, 폴스타2, 테슬라 모델3, 포르쉐 타이칸, 현대 아이오닉5 등 주요 6개 전기차는 12개월 1만 마일 주행 이후 가격이 절반으로 떨어졌다.

 

통상 전기차 보증 기간이 10년이라는 점을 고려하면 중고차 가격 하락 속도는 엄청 빠른 편이다. 배터리 업계에서는 전기차 사용 기간이 10년을 경과하면 배터리 상태가 80% 정도로 떨어진다고 본다.

 

유럽의 자동차 리스 기인 아르발이 7만km를 주행한 전기차를 조사한 결과 평균 배터리 상태가 93%로 저하된 것으로 드러났다.

 

심지어 20만km 를 주행한 전기차의 배터리 상태도 90%에 달했다.

 

(중략)

 

스웨덴에서는 2022년 전기차 화재가 3429건 발생했는데 이 중 전기차는 14건으로 전체의 0.041%에 불과했다. 스웨덴 자동차 화재의 90% 이상이 내연기관차에서 발생했다.

 

한국도 전기차 화재 발생률이 낮은 것으로 나타났다. 2023년 기준 국내에 등록된 전기차 54만 3900대 가운데 72건의 화재가 발생했다.

 

1만대 당 1.32건이다. 반면 2594만 9201대가 등록된 전기차 외 차종에서는 4724건의 화재가 발생했다. 1만 대 당 1.82건이었다.

 

(중략)

 

한국 배터리 기업들이 북미 ESS 시장이 연간 20%의 고속 성장을 할 것으로 내다보고 서둘러 LFP ESS 생산 라인 증설에 나섰다.

 

ESS 분야에서는 삼원계 배터리보다 화재 안전성이 우수한 LFP 배터리에 대한 선호도가 높았다.

 

(중략)

 

2023년 하반기부터 시작된 전기차 캐즘의 주요 원인으로 지목된 것이 각국의 보조금 축소였다. 보조금이 없어지니 전기차는 내연기관차보다 비싸졌다.

 

보통의 소비자들은 아직 주행 거리도 짧고 충전도 불편한 전기차를 내연기관차보다 더 비싼 값을 주고 살 이유가 없었다.

 

(중략)

 

전기차 원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 것이 배터리다. 전기차 값의 약 40%가 배터리 가격이다. 배터리 가격이 낮아진다면 전기차 가격이 내연기관차 수준으로 떨어질 것이다.

 

주춤했던 전기차 소비가 다시 늘어날 것이라는 예측이 가능하다.

 

(중략)

 

업계에서는 통상 배터리 가격이 kWh 당 100달러 일 때 프라이스 패리티에 도달할 것으로 본다.

 

그렇다면 프라이스 패리티는 언제쯤 도달할 수 있을까? 전문가들은 배터리 가격이 떨어지는 속도를 고려하면 이르면 2026년, 늦어도 2027년에는 100달러 벽이 무너질 것으로 전망한다.

 

프라이스 패리티에 도달한다면 전기차 수요가 회복되고 배터리 기업들의 실적 개선도 기대해 볼 수 있다.

 

(중략)

 

표에서 확인할 수 있듯이 제조사마다 주로 쓰는 배터리가 있다.

 

예를 들어 현대자동차, 기아는 SK온 배터리가 많이 탑재되어 있다. 테슬라는 파나소닉과 LG에너지솔루션, CATL 의 배터리를 많이 쓴다. BMW는 초기부터 삼성SDI와 밀접한 관계를 유지하고 있다.

 

아우디는 삼성SDI 배터리를, 벤츠는 중국산 배터리를 많이 쓴다는 것을 알 수 있다.

 

(중략)

 

삼성SDI는 국내 배터리 3사 중 유일하게 북미에 자체 공장을 운영하지 않는 기업이다. 북미 지역에는 합작 공장만 두고 있다. 단독 공장 설립도 추진했으나 전기차 캐즘 상황에 보수적인 입장으로 선회했다.

 

미국은 국내 배터리 기업의 핵심 시장인 만큼 향후 전기차 시장이 개선된다면 다시 단독 공장 설립을 추진할 수 있다.

 

(중략)

 

LG에너지솔루션, SK온 등 국내에서 경쟁하는 다른 배터리 셀 기업과 달리 삼성SDI는 이차전지 시장이 활황일 때도 보수적으로 투자해왔다. 덕분에 전기차 수요 둔화에 비교적 충격을 덜 받을 수 있었다.

 

반대로 전기차 캐즘의 영향으로 다른 기업들이 투자 속도 조절에 나선 것과 달리 삼성SDI는 지속적으로 투자를 확대했다.

 

삼성SDI는 2025년 3월 글로벌 생산 시설 개조와 증설을 위해 2조원가량의 유상증자를 실시했다.

 

 

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와우. 600페이지가 넘는 배터리의 모든 것 내용을 쉽게 경험할 수 있었던 시간이었습니다.

 

무엇보다 전기차는 알았지만 배터리에는 정말 무지했던 저에게... 이제야 어느 정도 감을 잡을 수 있는 지식이 쌓인 것 같아 기분이 좋네요.

 

모두들 양극재, 음극재, 전고체, 각형, 원통형 등등... 솔직히 무슨 말인지 전혀 몰랐는데 말이죠.

 

책 뒷부분에는 배터리가 어떻게 생산되는지에 대해 아주 자세히 나와있습니다. 대충 이 정도만 알아도 전기차, 배터리에 투자하는데 큰 문제는 없어 보입니다.

 

저 또한 다음 차는 무조건 전기차로 생각하고 있습니다. 분명 언젠가는 전기차도 주행거리 1000km 가 넘고 가격도 내연기관차와 비슷해지면서 충전도 5분 이내 300km 정도의 속도까지 보일 게 보이기 때문이죠.

 

하지만 미래가 어떻게 될지 예단을 할 수는 없습니다.

 

반면에 이러 이러한 상황이 발생했을 때 어떻게 대응해야 할지는 대략적으로 판단이 설 수 있습니다. 공부를 하면 말이죠.

 

그저 전기차는 테슬라. 배터리는 LG에너지솔루션. 이라는 생각만 갖고 살았는데, 세상에는 정말 다양한 전기차들이 존재하고 배터리는 그 이상으로 다양하다는 점.

 

과연 누가 이 배터리 전쟁에서 승자가 될지... 궁금할 따름입니다.

 

그래도 미국이 중국산을 그렇게 싫어한다고 하니, 분명 우리나라에도 기회가 있을 것 같네요.

 

전기차와 배터리에 궁금한 분들께 적극적으로 추천하는 책입니다!

 

끝!