이차전지 승자의 조건

- 2012년 테슬라에서 개발된 전기자동차 모델S는 처음 출시되었 을 때부터 일충전 주행거리가 660km에 다다라 기존 휘발류차가 한 번 주유하고 운행하는 거리와 거의 맞먹었다. 테슬라는 모델S의 주행거리 증대 기술을 개발하기 위해 전기자동차의 엔진에 해당하 는 리튬이온전지의 개발에 큰 관심을 보였다. 앞서 서술한 바와 같 이 2014년 파나소닉과 합작하여 기가팩토리를 설립한 것이다. 기 가팩토리 설립 전에는 파나소닉의 원통형 리튬이온전지가 공급되 었다. 그러나 당시 모델S 가격은 10만 달러, 약 1억2천만 원을 훌쩍 넘는 가격으로 일반 소비자가 구매하기에는 버거운 가격이었다. 개 발 초기, 리튬이온전지 가격이 모델S 가격의 절반 이상을 차지했고 테슬라는 리튬이온전지 가격을 줄이지 않으면 가솔린 자동차에 맞먹는 가격경쟁력을 지니기 힘들다고 판단했다. 산술적으로 계산해 도 스마트폰에 들어가는 리튬이온전지의 용량 및 가격이 13Wh, 약 3~5만 원대였다. 전기자동차는 60kWh 이상 필요하므로 스마트폰 에 들어가는 리튬이온전지가 5,000개 이상 탑재되는 셈이라 할 수 있다. 전지 가격만 1억 원이 훌쩍 넘는다. 그렇기에 2010년 초반기 에는 리튬이온전지의 비싼 가격 때문에 전기자동차는 팔면 팔수록 손해라는 말이 나오기도 했다. 이에 테슬라는 기가팩토리를 세워 원통형 리튬이온전지의 대량생산 라인을 구축하고, 생산 단가 절감을 통해 원통형 전지 가격을 개당 만원 이하로 줄일 수 있었다.
현재는 테슬라를 비롯해 GM, 폭스바겐, 현대기아자동차 등에서 kWh당 약 10만 원대의 가격 (2019년 폭스바겐은 약 11만 3000원으로 원 가 공개)으로 줄여, 원통형 전지 개당 약 천 원의 가격으로 생산하고 있다. 10년 만에 거의 90% 이상의 원가절감을 가져온 것이다. 테슬 라는 기가팩토리의 원가절감 및 에너지밀도 향상 기술을 바탕으로 5천만원 이하의 모델3를 출시하여 2020년 한때 전기자동차 세계 시장점유율 1위를 달성하기도 하였다. 스마트폰 시장의 확대로 애 물단지로 전락했던 원통형 리튬이온전지가 전기자동차를 만나 더 큰 이머징 시장으로 부각된 것이다. 만약 당시 삼성이나 LG가 스마 트폰에만 역점을 두지 않았다면 어찌 되었을까 한 번쯤은 생각해보 곤 한다. 삼성이나 LG의 각형이나 파우치 타입의 리튬이온전지를 테슬라가 선택했다면 어땠을까.
- 노르웨이 자동차 연맹NAF, Norwegian Automobile Federation이 발표한 시험결과에 따르면 혹한기 전기자동차 주행거리는 차종에 따라 감소 편차가 있지만 평균 18.5% 감소했다. 이는 온도가 낮아지면서 배터리 내 리튬이온의 이동과 관련된 전 기화학 반응이 느려져서 발생하는 근본적인 문제이다. 최근 출시되 는 신형 전기차는 히트펌프Heat Pump, HP와 배터리 관리 시스템 Battery Management System, BMS 및 충전기술의 발전으로 저온 주행거리가 상온 대비 10~15% 정도만 감소할 정도로 개선되고 있다.
전기차의 주행거리를 논할 때 배터리의 용량과 더불어 에너지밀 도를 언급하지 않을 수 없다. 1회 충전 주행거리에 가장 결정적인 인자인 에너지밀도는 배터리의 단위부피 또는 단위중량당 용량 즉, 전기에너지의 저장능력이다. 부피당 에너지밀도는 전기차의 부피 및 공간 설계 시 중요하고, 중량당 에너지밀도는 공차 중량과 관련이 있다.
- 최근 출시되는 전기차는 일충전 주행거리가 450km를 상회하고 있는데, NCM811 양극 활물질(니켈 함량 80% 이상)을 적용하고 있기 때문이다. 최근에는 니켈 함량이 90%가 넘는 NCM9055 양극 활물 질 소재 개발에 집중하고 있다.
NCM9055는 에너지밀도를 최대 300Wh/kg(중량), 750Wh/L(부 피)까지 달성할 수 있을 것으로 예측하고 있으며, 일충전 주행거리 도 550km로 NCM811 적용 대비 20% 이상 향상될 것으로 기대된 다. 그러나 여전히 휘발유 1회 주유당 주행거리인 500마일(800km) 에는 훨씬 못 미치고 있다. 이는 NCM 양극 활물질 소재 개발로 달 성할 수 있는 리튬이온전지의 에너지밀도 향상에 한계가 있기 때문 이다. 기존 양극 활물질 소재를 뛰어넘는 새로운 혁신적인 소재가 개발되기 전까지는 일충전 주행거리 400마일(643km) 달성도 현재 로서는 쉽지 않을 전망이다.
- 특히 NCM 소재는 최근 니켈 함량을 97%까지 끌어올린 결과들이 발표되고 있다. 그러나 양극 활물질 내 니켈, 코발트와 같 은 특정 금속의 성능 기여에 따른 함량의 지속적인 증가는 자원의 한계라는 측면에서 고민되는 부분이다. UC버클리대학의 거브랜드 시더 Gerbrand Ceder 교수의 말을 인용하면, 2000년 초반 리튬이온전지 는 모바일IT 적용을 위한 소형 배터리 위주로 2GWh 정도를 생산 하는 수준이었고, 현재는 전기자동차로 적용이 확대되면서 중대형 배터리를 포함하여 200GWh를 생산하고 있다. 이러한 추세를 감안 하면 2028년 경에는 1TWh(기가와트(GWh)의 1000배) 이상의 배터 리를 생산할 것으로 예상이 되는데, 이때 필요한 니켈 및 코발트 금 속의 양은 대략 100만 톤이다. 코발트는 현재 연 12만 톤 정도 생 산되고 있고, 니켈 생산량은 연 220만 톤 정도로 추산된다. 1TWh 의 배터리를 생산하려면 전 세계 니켈 생산량의 약 40%를 사용하게 되는 것이다. 이렇게 특정 자원의 의존도를 높이는 방향으로 소 재 개발이 진행되는 것은 매우 우려스럽다. 실제 이러한 우려가 우 크라이나 전쟁이 발발하면서 현실화되었다. 니켈 가격이 폭등하면 서 기존 원자재 시장의 불안정성이 극대화되었다. 이에 대해서는 4 장에서 자세히 다룰 예정이다. 결국, 니켈 및 코발트 등 배터리 원자 재 수급은 가까운 미래에 임계점에 다다를 것으로 예상된다. 세계 각 국의 연구진과 기업들이 NCM을 대체하기 위해 다양한 신규 활 물질 소재를 개발하는 데 집중하는 이유이다.
- 배터리의 수명을 유지하려면 완방전 후 충전하기보다는 오히려 부분 방전 때마다 충전해서 사용하는 것이 유리하다. 보통 배터리 는 완방전과 완충전을 반복할 때 수명이 가장 빨리 줄어든다. 이는 배터리 내 이용 가능한 에너지 저장능력을 한계 끝까지 빼내고 집 어넣을 때 배터리의 성능이 손상을 가장 많이 받기 때문이다. 전기 차 배터리는 완방전(SOC 0% & DOD 100%) 후 완충전(SOC 100% & DOD 0%)할 경우 약 800~1,000회 정도 배터리를 충방전할 수 있다 고 알려져 있다. 이때 50% 사용 후 (DOD 50% & SOC 50%) 완충전하 면 약 5,000회로 충방전 횟수에 따른 사용 시간이 산술적으로 다섯배 가까이 늘어난다. 만약 20% 사용(SOC 80% & DOD 20%) 후 완충전하면 8,000회 정도까지 사용 시간이 늘어난다.
1회 완충전 주행거리가 500km인 전기차라면 배터리의 20%를 방전할 때(SOC 80% & DOD 20%) 100km를 운행할 수 있다. 매일 100km 이내 출퇴근 및 업무 거리를 달린 뒤 하루 1회만 충전한다 고 가정하면 계산상으로 8,000일 동안 배터리 교체 없이 탈 수 있는 것이다. 즉, 이론상으로는 21년 넘게 전기차를 타더라도 배터리 교 체 없이 사용할 수 있다. 하지만 앞서 언급하였듯이 완방전 상태까 지 사용한 후 완충전을 반복할 경우, 배터리 수명은 크게 줄어들 수 밖에 없다. 일반적으로 충전 상태(SOC)가 20%에서 80% 사이일 때 충전해주는 것이 장수명 운영을 위해서 유리하다. 또한, 장시간 운 행하지 않을 경우, 완방전 또는 완충전 상태로 방치하지 않도록 주 의하는 것도 배터리 수명을 연장하는 방법이다.
- 전기차 배터리에 적용된 리튬이온전지는 기존 수용액 기반 전해 액을 사용하던 자동차용 납축전지와는 달리 가연성 유기용매를 사 용하고 있다. 이유는 전해질로 사용되는 리튬염이 특정 유기용매에 서만 용해되어 리튬이온 형태로 존재할 수 있기 때문이다. 이러 한 가연성 유기용매를 적용한 액체전해질을 통해서 서로 반대 전극 으로 이동하면서 반복적으로 리튬이온이 삽입/탈리되는 메커니즘 에 의해 배터리가 작동한다.
현재로는 최적의 성능을 내기 위해 가연성의 액체전해질을 사용 할 수밖에 없다. 대신, 여기에 안전성을 향상시킬 수 있는 다양한 첨 가제들을 혼합하여 배터리 셀 레벨에서의 안전성 확보방안을 별 도로 적용하였지만, 셀이 외부적인 요인으로 충격을 받아 단락이 발생하거나 갑작스러운 배터리의 온도상승에 따른 전해액의 분해 로 유발된 폭발 및 발화를 근본적으로 막는 것은 불가능하다. 
- 완성차 업체가 배터리의 직접 개발을 통해 실제 대량생산이 가능할까? 만약 가능하다 하더라도 직접 개발 및 생산하는 것이 과연 효율적일까? 앞서 간략히 언급했듯이 배터 리 선도 업체가 수십 년의 시행착오를 거쳐 천문학적 투자를 바탕 으로 이룩한 지금의 성과를 완성차 업체가 단기간에 따라잡기는 어 렵다. 배터리 제조 상위 업체들이 20년 이상 연구하고 10년 이상 대 량생산 경험을 쌓아온 것이 이를 증명한다. 또한, 기존 배터리 제조 업체의 각종 특허 기술을 우회해 배터리를 생산하는 것도 불가능에 가깝다. 양품의 배터리를 대량생산하는 것은 또 다른 문제이다. 배 터리 제조업체가 기술개발 후 실제 대량생산에 성공하기까지 최소 10년이 걸렸다는 점을 감안하면, 대량생산 역량을 갖추는 것은 기술개발과는 완전히 별개의 문제이다.
완성차 업체가 이제 막 시작한 배터리 연구로 제품이 나온다 하더라도 고품질 배터리 구현을 위해서는 내구성 및 안정성 등 극복 해야 할 민감한 이슈들이 많기 때문에 실제 양산까지 상당한 시간 이 소요될 것이다.
그렇다면 수익성 측면에서는 어떨까? 완성차 업체는 자사가 생 산한 배터리를 자사 자동차에 탑재할 것이다. 예를 들어 폭스바겐 이 생산한 전기차 배터리가 폭스바겐에 탑재될 뿐 GM이나 BMW 에 탑재되기는 어려울 것이다. 수익성 관점에서 볼 때 완성차 업체 는 배터리 업체와는 달리 배터리 생산 설비와 생산 기술을 여러 타 완성차에 적용하기는 쉽지 않다. 즉 폭스바겐이 개발하려는 각형 배터리가 BMW 차량에 탑재된 각형 배터리를 대체하기란 쉽지 않다. 배터리 제조사의 시장점유율 추이를 보면 이는 더욱 명확하다. 최근 5년 사이 상위 6개 업체의 점유율이 90% 가까이 육박하면서 굉장히 빠른 과점화가 진행되고 있다. 선발주자와 후발주자와의 기 술 격차가 뚜렷이 벌어진 상황이므로, 더욱이 신생 업체가 높은 수 율로 기존 업체를 따라잡을 가능성은 지금으로선 그리 높지 않다. 따라서, 전기차의 경우 내연기관차와 달리 수직계열화를 통한 수 익성을 기대하기가 어렵다고 판단된다. 초기 투자가 많은 배터리 산업의 특성상 전기차 업체가 자체적으로 쓸 배터리를 생산하는 것 만큼 비효율적인 투자는 없다.
- 전기차 득세는 더욱 가속화하고 있다. 한번 충전하고 달릴 수 있는 일충전 주행거리도 400~500km로 늘어 났고 배터리 1kWh당 가격도 100달러 미만으로 줄었다. 전기차 가 격 가운데 약 40%를 차지하는 배터리 단가가 크게 떨어지면서 가 격 경쟁력도 올라가고 있다. 앞으로 4~5년이면 보조금 없이 내연기 관차와 비슷한 가격대로 출시될 수도 있다. 이때쯤에는 충전 인프 라도 구축돼 일반 주유소와 복합형 충전소에서 충전할 수 있을 것 으로 예상된다. 정부도 배터리 리스Lease를 통한 전기차 구매 활성 화, 배터리 비용 절감을 통한 전기차 가격 인하 등 다양한 정책을 진행할 예정이어서 증가 속도가 빨라질 것이 확실하다. 전기차가 인큐베이터 모델에서 벗어나 시장을 주도할 날이 머지않았다. 전기 차 시대가 다가오면서 자동차 제조사들은 미래에도 모빌리티 주도 권을 갖고 있을지에 대해 고민을 하고 있다. 현재 전기차는 수직 구 조보다는 수평구조에 가까워지면서 전통적인 자동차 제조사들이 쥐고 있던 주도권이 흔들리고 있기 때문이다. 미래 모빌리티 주도 권은 전기차 배터리, 라이다 센서 같은 자율주행차 센서 개발업체, 차량용 반도체, 혹은 인공지능 개발업체가 주도권을 쥘 수도 있다. 미래의 모빌리티 주도권을 가질 것인지 누구도 예상하기 힘들다. 과연 게임체인저급 기술 주도권을 누가 가질 수 있을까? 이 중 하나가 바로 배터리이다. 배터리는 전기차 전체 가성비와 특성을 책임질 핵심 부품이다. 2028년 이후로 생산이 기대되는 전고체전지를 비롯하여 다른 소재를 사용하는 또 다른 차세대 배터리 기술도 등 장할 것으로 예상된다.
- 폐배터리 재활용 기술개발에 가장 적극적인 테슬라는 연간 전략 보고서 '2020 테슬라 임팩트 리포트'에서 자체 리사이클링 기술로 폐배터리 소재의 92%를 회수할 수 있게 되어 이미 2019년 기준 니 켈 1300톤, 구리 400톤, 코발트 80톤을 재활용했다고 발표했다. 이 미 테슬라는 네바다 기가팩토리에 자체 배터리 셀 재활용 설비 1단 계 설치를 완료하였고 가까운 장래엔 최대 원자재 생산 기업으로 우뚝 올라설 수 있다는 현실성 있는 비젼을 보이고 있기도 하다. 유 럽도 마찬가지로 전기차업체를 중심으로 유사한 움직임을 보이고 있다. 폭스바겐은 배터리 원자재 회수율을 현재 60%에서 95%로 늘리는 연구를 진행 중이고 독일에 이미 배터리 재활용 관련 시험공장 가동에 들어갔다.
자동차와 배터리 업체들이 재활용 기술에 발 빠르게 움직이는 이 유는 무엇보다 환경파괴로 인한 기업가치 훼손을 미리 방지함과 동 시에 원자재 가격 상승 압박을 견뎌내기 위한 돌파구적 성격이 크 다. 크고 작은 지정학적 정치적 이슈에 따라 해마다 치솟는 원자재 가격의 불확실성은 자동차나 배터리 제조업체에게는 리스크 요인 이다. 따라서 단기적으로는 광산개발 업체와의 제휴가 중요하지만 중장기적으로는 재활용 기술을 활용한 원자재 확보가 배터리 생애 전주기 관점에서의 지속가능성을 실현할 수 있는 중요한 핵심 전 략이 될 것이다. 폐배터리 활용 사업이 완성되면 결국 안정된 가격 에 연동된 배터리 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 판 단된다.

- 차세대 배터리 혁신은 왜 아직인가?
첫째, 에너지 Energy 와 출력 Power 간 존재하는 상충관계 때문이다. 하나의 성능이 개선되면 다른 한 성능은 퇴화되는 관계가 배터리 에너지와 출력 간에도 존재한다. 즉, 더 많은 에너지를 저장할 수 있 는 배터리로 더 빨리 충방전할 수는 없다. 반대의 경우도 마찬가지 이다. 전기자동차의 관점에서 볼 때 단일 배터리가 장거리 및 고속 충전을 모두 제공할 수 없음을 의미한다.
둘째, 양극과 음극 간의 불일치이다. 현재 가장 보편적인 배터리기술은 리튬이온전지의 셀을 구성하는 한 쌍의 전극인 음극 Anode과 양극Cathode의 에너지밀도를 극대화하는 방향으로 개발되고 있다. 여기서의 문제는 음극은 이미 대응되는 양극보다 더 큰 에너지밀도 를 갖고 있다는 점이다. 양극 에너지밀도는 가장 많은 에너지저장 용량을 얻기 위해 음극의 밀도와 일치해야 한다. 즉, 양극 에너지밀 도를 높이는 데 획기적인 돌파구가 마련되지 않는다면 혁신적인 배 터리 기술의 개발에는 한계가 있다는 의미이다. 이 딜레마에 대한 해결책은 더 두꺼운 양극을 가진 배터리를 갖는 것이지만, 더 두꺼운 양극은 배터리의 기계적 및 열적 안정성을 감소시켜 조기에 배 터리 고장을 일으키는 원인이 된다. 또한, 에너지밀도를 증가시키기 위해 양극을 더 두껍게 한다면 리튬 확산 거리가 늘어나 출력이 저 하된다. 결과적으로 양극의 두께에는 실질적인 한계가 있으며, 이는 양극의 에너지저장을 제한하게 된다.
셋째, 현재 일반적으로 사용되는 리튬이온전지는 앞서 언급한 새 로운 전기화 시장이 요구하는 광범위한 응용 분야의 요구를 충족 시킬 수 없다. 많은 기업들이 새로운 배터리 화학을 통해 고출력 대 에너지밀도 비율을 다양한 연구를 통하여 해결하려고 노력했지만 대량생산 및 상용화에 필요한 성능 메트릭 metrics을 혁신적으로 달성 한 기업은 거의 없다. 한 사례로, 수많은 전 세계 배터리 개발 연구자들은 높은 에너지밀도와 출력, 향상된 열 안전성을 동시에 달성 할 수 있는 전고체전지를 배터리 기술 최고의 마일스톤으로 간주하 고 있다. 물론 전고체전지는 리튬이온전지와 비교하여 가용 에너지 밀도가 훨씬 높고 가연성 액체전해질을 사용하지 않기 때문에 잠재 적으로 더 안전한 것은 사실이다. 하지만 이 또한 상용화를 달성하 기 위해 갈 길이 멀다. 전고체전지의 제조 공정은 기존 리튬이온전 지대비 엄청난 비용이 요구되며 비용 절감을 위해서는 단순 소재 연구개발이 아닌 다학제적인 혁신연구개발이 선행되어야 한다. 특 히 향후 몇 년 동안 kWh당 비용 절감을 목표로 하는 자동차 산업 의 요구사항을 고려한다면 더욱 갈 길이 멀다.

- 테슬라는 기존의 배터리로도 충분히 그들이 목표로 하는 성능과 가격을 맞출 수 있다고 자신하고 있다. 2020 년 9월 세상의 이목을 집중시킨 테슬라 배터리 데이에서 가장 중요 한 포인트는 결국 원가절감을 통한 25,000달러(약 3,200만 원) 전기 자동차 생산을 통해 시장을 확대하는 전략으로 요약된다. 시장에서 기대했던 전고체전지 같은 차세대 배터리에 대한 기술 내용은 발표 되지 않았지만 100만 마일 (161만km) 배터리에 대한 암시는 제시되 었다. 또한, 배터리 및 다양한 혁신 공정을 통해서 배터리와 완성차 생산 비용을 얼마나 빠르게 낮출 수 있을 것인가가 핵심이었다.
테슬라는 기존 음양극 소재 혁신 기술 외에도 새로운 폼팩터 Form factor 적용, 공정혁신(건식형 전극기술, 탭리스 집전기술 등), 생산공정혁 신 등을 통하여 주행거리를 40% 확대하고, 비용을 49% 감소시킬 계획이라고 발표하였다. 그리고 셀과 자동차 바디를 하나로 통합하 는 CTC cell to Chassis 기술을 통하여 7% 정도의 배터리 원가를 추가적 으로 하락시킬 것이라고 발표하였다.
테슬라는 왜 전고체전지 같은 차세대 배터리를 언급하지 않았을 까? 이에 대한 대답은 충분히 언급되었다고 본다. 즉 공정혁신, 기 존 소재의 업그레이드 정도로도 현재 리튬이온전지 체계로 시장이 요구하는 성능을 충분히 확보할 수 있다는 계산인 듯하다.