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배터리 전기차, 리튬 인산철, 그리고 수산화 리튬

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-11-30 22:15:15

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아직까지 배터리 전기차의 가격 중 약 40%가 배터리가 차지하고 있다. 그래서 배터리의 가격을 낮추는 것이 보급의 핵심으로 여겨지고 있다. 블룸버그 NEF(New Energy Finance)는 배터리 가격이 2010년 kWh당 1,191달러에서 2020년에는 137달러로 하락했으며 그로 인해 배터리 전기차의 가격을 낮추었고 주행거리를 높일 수 있었다고 분석했다.


그런데 BNEF는 최근 몇 달 동안 배터리 원자재 가격의 급등 추세가 계속되어 2022년에는 가격이 급등할 것이라고 전망했다. 이는 중국의 BYD가 11월부터 배터리 가격이 약 20% 증가할 것이라고 밝힌 것으로 이미 알려진 내용이다. 그보다 더 앞서 중국의 배터리 업체들도 가격 인상에 나서고 있다.

이는 리튬 이온 배터리의 음극 재료의 주요 원료인 코발트, 니켈 및 리튬의 가격 상승으로 인한 것이다. 특히 자동차 제조업체의 경우 리튬 가격의 상승이 큰 영향을 미친다. 올해 초부터 전 세계적으로 배터리 금속 가격이 급격히 상승했다. 호주의 리튬 및 탄탈룸 생산업체인 필바라 미네랄은 리튬이 풍부한 스포듀민 결정 소포에 대해 톤당 2,240달러의 제안을 확보했다고 발표하면서 시장을 놀라게 했다.

그 때문에 리튬, 코발트, 니켈 등 배터리에 필요한 핵심 자원에 대한 공급 보증 시스템을 개선하기 위해 다른 정부 부처와 협력을 가속하는 한편 무 코발트 배터리 및 고급 배터리 재활용과 같은 자원 친화적인 기술 혁신을 적극적으로 개발하여 이러한 자원에 대한 극단적인 의존도를 줄이려는 노력이 가속화되고 있다

전 세계 리튬 생산은 미국이 13%, 중국이 65~73%를 점하고 있으며 생산지로는 호주가 55%, 칠레 23%, 중국 10%, 아르헨티나 8% 등의 순이다. 리튬 수요는 2025년 30만 톤, 2030년 100만 톤으로 1,800% 증가할 것으로 예상되고 있다.

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탄산리튬의 중국 거래 가격은 11월 중순 기준 톤당 19만 9,000위안으로 2021년 초보다 4배 증가한 것으로 예상된다. S&P Global Platts 보고서에 따르면 올해 초부터 11월까지 탄산리튬 가격은 238.3%, 수산화 리튬은 252.8% 올랐다.

리튬 가격 상승 원인은 전기차 판매 급증과 중국업체를 중심으로 이루어지고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리의 사용 증가로 여겨지고 있다. LFP 배터리는 양극 측의 리튬(Li), 인(P), 철(Fe)을 기반으로 하는 리튬 이온 배터리를 말한다. 무겁고 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧지만, 안전성과 낮은 가격을 무기로 급성장하고 있다.

그동안은 주로 NMC (니켈, 망간, 코발트) 및 NCA (니켈, 코발트, 알루미늄)이 사용되어 오고 있었다. 그런데 코발트 가격 상승과 생산의 70%를 차지하고 있는 콩고민주공화국의 아동 노동 문제 등으로 인해 코발트 프리에 대한 연구가 진행되고 있다.

중국에서는 CATL과 BYD의 공급 확대는 물론이고 고숀 하이테크를 비롯한 중견기업들도 리튬인산철에 뛰어들고 있다. 특히 중국산 배터리를 사용해야 하는 중국이라는 시장의 특성으로 리튬인산철 배터리의 사용은 급증하고 있다. 더불어 중국 이외 지역에서도 테슬라는 물론이고 메르세데스 벤츠, 폭스바겐, 그리고 현대차그룹도 BYD와 CATL의 리튬 인산철 배터리를 사용하고 있거나 추진하고 있다. 그만큼 차량 가격도 낮아졌다. 전고체 배터리 개발에 공을 들이고 있는 토요타도 리튬인산철 배터리를 고려하고 있는 것으로 알려졌다. LG 에너지솔루션도 중국 소재 업체와 합작사를 통해 리튬 인산철 배터리 개발을 시작했다. 다만 리튬인산철 배터리를 탑재하는 것은 저가 및 신흥국 시장용이 될 것으로 전망되고 있다.


이산화탄소 배출 적고 가격 낮은 수산화 리튬에 수요 몰려
지금 전 세계적으로 리튬 쟁탈전이 벌어지고 있고 지역에 따라서는 직접 리튬을 추출해 조달하는 방안을 강구 중이다. 르노와 스텔란티스는 벌칸에너지와 수산화 리튬 공급 계약을 체결했고 독일의 스타트업 기업은 지하수에서 리튬을 추출하는 사업을 시작했다.

리튬 이온 배터리에 사용되는 고 니켈의 양극재에 사용되는 리튬은 탄산리튬(Li2CO3)과 수산화 리튬(LiOH)이 있다. 쉽게 얘기하면 탄산리튬은 광석을 채굴해서 만들어지고 수산화리튬은 소금호수 등에서 소금물을 건조해 만든다. 한국에서는 지난 2월 부경대학교와 고등기술연구원이 탄산리튬으로부터 수산화 리튬으로의 전환을 위한 탄산리튬의 열분해 연구라는 논문을 발표한 바가 있다.

탄산리튬은 광산, 정화 및 운송 중에 많은 양의 전기가 사용되는 것이 단점이며 수산 리튬을 위한 염수는 오랜 시간과 큰 토지가 필요하다는 점이 지적되고 있다.

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최근 시선을 끌고 있는 것은 수산화 리튬이다. 수산화 리튬의 생산 최적지로 미국 캘리포니아 남부 솔트해와 독일 라인강 상부 등 지하수 흐름이 풍부한 지역과 아르헨티나 등이 거론되고 있다. 미국 에너지부에 따르면 솔튼해지역은 연간 60만톤의 리튬을 공급할 가능성이 있으며 이는 현재 미국의 수요보다 크다고 밝힌 바 있다. 지열과 염수의 조합에 의해 리튬을 추출하고 마지막에 화학공장에서 수산화 리튬으로 정제되어 출하된다. 이때는 탄소 제로 상태로 배터리의 이산화탄소 배출도 크게 줄일 수 있다고 한다.

르노 및 스텔란티스와 수산화 리튬 공급계약을 체결한 벌칸에너지는 리튬 직접 추출이라는 생산 방법을 개발했다. 지열 발전으로 전기와 열을 판매할 수 있다는 점을 활용해 수산화 리튬 톤당 생산 비용은 3,142달러로 추정되고 있다. 일반적으로, 수산화 리튬으로 가공하기 전에 광석에서 탄산리튬의 생산은 6,000달러, 소금물에서 생산한 것은 4,000달러 수준인 것으로 알려져 있다.

벌칸 에너지는 2019년 9월, 독일 서부 란다우의 시범 공장에서 실제로 펌핑된 바닷물에서 리튬을 추출하는 데 성공했다. 2024년에 생산을 시작하여 2025년에는 매년 4만 톤의 수산화 리튬을 생산할 계획이라고 밝혔다. 이 공장은 건설에 17억 유로가 필요하지만, 호주 증권거래소 상장 기업의 시가총액은 1,000억 엔을 초과하며 자금 문제는 해소됐다고 한다.


현재 거론되는 모든 배터리는 리튬을 사용
이런 흐름은 이미 배터리 업체는 물론이고 완성차업체들의 움직임을 통해 나타나고 있다. BMW 그룹은 지난 3월, 미국에 본사를 둔 리벤트(Livent)로부터 리튬을 수급할 예정이라고 밝혔다. 리벤트는 2022 년부터 BMW 그룹의 배터리 셀 제조업체에 2억 8,500만 유로 상당의 리튬을 직접 공급할 예정이다. BMW는 2019년 계약을 체결한 호주 광산에 이어 두 번째로 아르헨티나 공급 업체로부터도 리튬을 조달하고 있다.

아르헨티나, 볼리비아, 칠레 국경 지역의 소금 호수는 세계 리튬 매장량의 약 절반에 차지하고 있다. 전통적인 리튬 채굴에서 소금 호수 아래층의 소금물은 땅에서 펌핑되어 얕은 분지에서 증발한다.

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리벤트는 특히 지속 가능한 방법을 사용해 아르헨티나 북부의 소금물 자원에서 리튬을 채취한다. 주변 생태계에 미치는 영향을 최소화하기 위해 사용되는 대부분의 소금물은 증발하지 않고 주변 서식지로 직접 반환된다. 이것은 소금물 층과 지하수층 사이의 균형을 크게 유지하는 데 기여한다고 한다. 이 과정에서 용제 및 기타 화학 물질이 환경과 접촉하지 않는다. 또한 증발통이 거의 사용되지 않기 때문에 공간을 훨씬 적게 차지한다. 이 회사는 또한 지역 교육 프로그램 및 인프라 조치에도 참여하고 있다.

테슬라도 지난 1월, 2020년 6월 쓰촨성에 수산화 리튬 공장을 건설한 야후아와 향후 5년 동안 수산화 리튬 공급 계약을 체결했다. 총조달량은 6만 3,000 ~ 만 88,000톤 또는 연간 1만 2,600 ~ 1만 7,600톤이 될 것으로 예상했다.

한편 지난 9월 중국 CATL은 캐나다 리튬 자원 개발업체 인 밀레니얼 리튬을 3억 7,700만 달러로 100% 지분을 인수했다. 밀레니얼은 아르헨티나의 두 곳에서 리튬 소금 호수를 개발하고 있으며 지난 7월 중국 업체와 또 다른 중국 업체 강펑과 공급계약을 체결하기도 했다.

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CATL은 배터리용 원료를 확보하기 위해 공급망을 강화하기 위한 투자를 늘리고 있다. 이미 아르헨티나 리튬 회사인 리튬(Lithium Corp), 캐나다의 네오리튬(Neo Lithium Corp), 호주의 필바라 미네랄(Pilbara Minerals)를 포함한 일련의 해외 프로젝트 지분을 매입했다. CATL은 지금까지 중국과 해외에 있는 20개 이상의 원자재 제조업체에 투자했다. CATL의 합작 회사를 포함한 배터리 생산 능력은 2025년에 약 600GWh로 20년의 5배에 달하는 것으로 예상된다.

스텔란티스도 지난 7월, 북미 및 유럽에서 리튬 지열 염수 공정 전문 파트너 2곳과 MOU를 체결, 가용성 관련 가장 중요한 배터리 원료로 지목되는 리튬의 지속 가능한 공급은 물론 공급망을 통합할 수 있는 역량을 확보했다고 밝힌 바 있다. 

리튬 이온 배터리와 리튬 인산철 배터리는 물론이고 리튬 황 배터리, 전고체 배터리도 리튬을 사용한다는 점에서는 같다. 가격과 안정성, 에너지 밀도 등에서 차이가 있을 뿐이다. 리튬을 사용하는 배터리가 궁극적인 대안인지에 대해서는 여전히 많은 연구가 진행되고 있고 논란도 있다.

한국은 배터리 생산에 필요한 마그네슘은 전량을, 리튬 소재는 92%, 희토류 재료는 88%를 중국에서 수입하고 있다.  LG화학은 2018년 캐나다 네마스카리튬과 2020년 하반기부터 7,000톤의 수산화 리튬 공급 계약을 체결했고 2019년에는 중국 톈치 리튬의 자회사인 호주 톈치리튬퀴나나(TLK)와 수산화 리튬 장기 공급계약을 체결했다. 지난 6월에는 회사명을 바꾼 LG에너지솔루션이 호주 인피니티리튬(Infinity Lithium)과 수산화리튬 공급을 위한 양해각서(MOU)를 체결했다.​

 

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