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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

141. 파워트레인의 미래 – 42. 배터리 전쟁, 그 2라운드의 서막

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-03-22 06:07:34

본문

폭스바겐이 한국산 배터리를 사용하지 않겠다고 밝히면서 배터리 시장의 새로운 변화에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존 계약 기간 2025년 이후에는 다른 업체로 바뀌게 됐다. 현대자동차도 중국산 차량에 BYD의 블레이드 배터리를 사용하기로 하는 등 시장에 따라 배터리 수급에 대한 지각 변동이 시작되고 있다. 지금은 일본의 파나소닉과 중국의 CATL, 한국의 LG화학과 SK이노베이션, 삼성 SDI 등 아시아업체들이 주도하고 있지만, 유럽에서 노스볼트와 브리티시볼트, 미국의 퀀텀스케이프, 중국의 패러시스 등 스타트 업들이 속속 뛰어들고 있다. 이는 완성차업체의 전략과 맞물려 합작 형태로 아시아세에 대응하고자 하는 움직임이 시작됐다. 반도체가 그렇듯이 배터리도 돈만으로는 해결이 쉽지 않은 산업이다. 전고체 배터리도 시야에 들어오고 있다. 바야흐로 배터리 전쟁 2라운드가 시작됐다.


글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

자동차산업을 중심으로 한 배터리 산업은 배터리 셀 생산업체 간의 경쟁, 배터리 전기차를 생산하는 완성차업체들 간의 경쟁, 그리고 배터리 셀 생산 업체를 둘러싼 국가 간의 경쟁 등 복잡하게 얽혀 있다. 예를 들어 미국에서 배터리 셀을 생산하는 한국의 LG 에너지솔루션과 SK이노베이션이 지식재산권 문제로 법적 분쟁을 하고 있는데 SK이노베이션의 공장이 있는 조지아주의 주지사가 미국의 바이든 대통령에게 거부권 행사를 요청하고 있다. 고용 문제 때문이다.

중국에서는 시장을 무기로 중국에서 생산하는 배터리 전기차는 중국산 배터리를 사용하도록 하고 있다. 이는 수년 전 아예 중국 업체의 배터리만을 사용해야 한다는 규제에서는 발전한 것이지만 미국의 상황과 마찬가지로 지역 경제와 고용 문제가 개입한 대표적인 사례다.

유럽 연합도 2025년까지 중국과 일본, 한국에서 수입되는 배터리 셀에 의존하지 않고 자급할 수 있는 생산 체계를 완성한다는 방침이다. 수입 셀에 의존하지 않고 빠르게 성장하는 EV 차량에 전력을 공급하기에 충분한 자동차 배터리를 유럽 내에서 생산하는 것을 추진하고 있다. 2025 년까지 유럽에서 최소 6백만 대 분량의 전기차 전력 공급을 위한 셀을 생산한다는 목표를 설정하고 있다.

완성차업체들은 대형 배터리 업체에 휘둘리지 않기 위해 새로운 배터리 셀 업체들과 합작해 내재화를 추진하고 있기도 하다. 폭스바겐이 LG 에너지솔루션을 비롯한 한국 업체들로부터의 공급 중단을 선언하고 노스볼트와의 합작을 통해 자체적으로 통합 셀을 생산하겠다고 선언한 것이 대표적이다.

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폭스바겐은 3월 15일, 테슬라의 배터리데이와 유사한 파워데이를 개최했다. 내용상 2025년까지 유럽에 배터리 공장을 6개 구축해 연간 생산량을 240GWh로 늘리겠다는 것이다. 이는 당초 노스볼트와 합작으로 16GWh를 목표로 했던 것에 비하면 배터리 셀을 내재화하겠다는 것을 의미한다. 각 업체가 발표한 유럽 시장 배터리 생산량은 2021년 1월 기준 2025년까지 652GWh다. 한국업체들이 193GWh, 유럽업체들이 161GWh, 중국업체들이 48GWh, 그리고 테슬라가 250GWh를 목표로 설정하고 있다. 그때 시장에서 필요한 용량은 400GWh로 예상된다. 계획대로 된다면 공급과잉을 걱정해야 한다. 그만큼 경쟁이 치열해진다는 얘기이다.

2019년 7월 배터리 전쟁, CATL의 무한질주라는 칼럼을 썼었다. 그때까지 파나소닉과 LG화학, SK이노베이션, 삼성 SDI 등 한국과 일본 업체들이 장악했던 배터리 셀 시장에 중국이라는 시장의 힘을 배경으로 급성장한 CATL이 폭풍성장을 했다는 내용이었다. 그 내용을 보면 지금의 배터리 산업이 얼마나 빠른 속도로 성장하고 있는지를 가늠할 수 있다.

“1999년 설립된 CATL은 2010년까지 별로 알려지지 않은 소규모 모바일 폰 배터리업체였다. 하지만 2011년 배터리 전기차를 위한 리튬이온 배터리를 생산하면서 상황은 변했다. 2016년 연간 배터리 수출량이 6.8GWh에 달하면서 CATL은 BYD와 일본의 파나소닉에 이어 세계에서 세 번째로 큰 EV 배터리 공급업체로 부상했다. 짧은 기간에 이처럼 급성장한 것은 중국 정부의 정책 덕이다.”


각형과 파우치형, 원통형의 전쟁
SNE리서치에 따르면 2020년 연간 탑재된 글로벌 전기차(EV, PHEV)의 배터리 용기 유형별 점유율에서 파우치형 배터리가 2019년 대비 큰 폭으로 상승했지만, 각형과 원통형 배터리는 하락한 것으로 집계되었다. 이에 따라 파우치형이 원통형을 제치면서 각형과의 격차도 크게 좁힌 것으로 나타났다. 전체적인 비율은 각형이 49.2%, 파우치형이 27.8%, 원통형이 23.0% 등이다.

2020년 전 세계 배터리 사용량은 전년 대비 22.0% 증가한 144.0GWh를 기록했다. 이 가운데 각형은 7.6% 하락한 70.0GWh, 파우치형은 탑재 규모가 2배 넘게 급증한 40.0GWh, 원통형은 3.6% 증가한 33.2GWh였다.  SNE리서치는 2030년의 배터리 타입별 사용량을 예측하면, 각형과 파우치형이 47%, 42%로 절대적인 우위를 나타낼 것으로 전망했다.

가장 많은 각형은 중국의 CATL과 BYD, 삼성 SDI, 노스볼트가, 파우치형은 LG 에너지솔루션과 SK이노베이션이, 원통형은 파나소닉이 주로 생산한다. LG 에너지솔루션도 원통형을 만들고 있다.

이를 자동차회사를 중심으로 분류하면 현대차그룹과 GM, 포드, 르노, 닛산, 볼보 등은 파우치형을 사용하고 BMW와 메르세데스 벤츠 등은 각형 배터리를, 테슬라는 원통형을 사용한다. 폭스바겐은 그동안 파우치형에서 LG 및 SK와의 계약이 끝나는 2025년 이후에는 각형으로 바꿀 것으로 예상된다.

리튬 이온 배터리의 용기 중 각형은 알루미늄 캔 내부에 배터리 구성품이 있고 양극과 음극이 팬 뚜껑으로 붙어있다. 이 단단한 캔 뚜껑에 안전장치를 설치할 수 있어 안전하고 내구성이 뛰어나다는 것이 장점이다. 파우치형보다 공정이 간소해 대량 생산이 비용면에서도 이익이다. 하지만 그만큼 무겁고 열 방출이 어려워 냉각장치를 달아야 한다는 것이 단점이다.

이런 단점을 해소하기 위해 CATL은 최근 공간 활용률을 약 20% 높은 셀 투 팩(Cell to Pack) 기술을 개발했다. 일반적으로 셀이 모듈을 거쳐 팩으로 되는데 이는 모듈을 생략하고 바로 팩으로 이어지는 생산 기술이다. 그만큼 비용과 부피를 줄일 수 있다.

파우치형은 양극과 음극 전극을 파우치에 얹어 접착시키고 파우치 안에 전해액을 주입하는 타입이다. 크기에 제한이 적고 접기도 쉬워 변형을 만드는 것도 용이하다. 다양한 모양과 크기로 만들 수 있으며 에너지 밀도가 높은 것도 장점이다. 파우치의 변형인 프리형도 있지만 아직은 수요가 많지는 않다.

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원통형은 가격이 저렴하고 안전성과 소급이 용하다는 것이 장점이다. 하지만 에너지 밀도가 낮고 잦은 충·방전으로 성능 저하가 빠르다는 것이 단점이다.

테슬라는 2020년 9월 배터리데이를 통해 4690형 원통형 배터리를 개발한다고 발표했다. 이는 탭 없는 셀 (셀을 연결하는 탭과 전원 공급 장치를 제거함)로 넓이가 46mm, 길이가 80mm로 에너지 밀도를 5배 증가시키고 출력을 6배 더 향상하며 항속거리는 16% 늘린 것이다.

테슬라는 현재 파나소닉으로부터 2170형 원통형 배터리를 공급받고 있으며 LG화학과 CATL로부터도 수급을 시작하지만, 궁극적으로는 자체적으로 배터리 생산을 하는 것을 목표로 하고 있다. 이와 관련 LG에너지솔루션은 4680 원통형 배터리 생산을 위해 미국과 유럽에 공장 신설을 추진하고 있다. 미국 스타트업 루시드모터스, 패러데이 퓨쳐스, 로즈타운 모터스 등이 LG 에너지솔루션의 원통형 배터리를 사용하고 있다. LG 에너지 솔루션은 GM과 함께 미국 오하이오에 35GWh의 파우치형 배터리 셀 공장을 건설하고 있으며 최근 2023년 가동을 목표로 또 다른 35GWh 용량의 공장 건설을 추진하고 있는데 이는 테슬라용 원통형을 생산할 것으로 보인다. 삼성 SDI도 원통형 배터리 생산을 늘린다.

그러니까 아직은 세 가지 타입 중 각형의 점유율이 가장 높고 다음으로 파우치형, 그리고 원통형 순이다. 최근 파우치형의 수요가 증가하는 추세였는데 각형의 비중을 더 공고히 할 수 있는 움직임의 시작이 폭스바겐인 셈이다. 폭스바겐이 합작사를 설립하고 있는 노스볼트는 각형을 생산하고 있다. 폭스바겐의 계획대로 된다면 각형의 점유율이 더 높아질 수 있다. 국내 일부 애널리스트들은 파우치형이 대세인 것처럼 이야기하는데 사실과 다르다.


폭스바겐과 GM은 배터리 기술 내재화 추진, 토요타는 전고체에 집중
그런 상황에서 전기차회사로의 본격 전환을 선언한 완성차업체들의 행보도 지금까지와는 다르게 전개되고 있다. 폭스바겐은 2021 파워데이를 통해 새로운 표준 배터리 셀 형식에 대해 한국 공급 업체인 LG 화학과 SK 이노베이션에 의존하지 않을 것이라고 한 것이다.

폭스바겐은 유럽에서만 240GWh를 생산할 수 있는 기가팩토리를 2030년까지 설립한다는 계획이다. 우선은 노스볼트와의 합작 공장에서 2023년부터 연간 기존 계획보다 많은 40GWh를 생산한다. 그러니까 지금 계약된 LG 에너지솔루션과 SK이노배이션의 물량이 끝나는 2025년까지 과도기를 거쳐 궁극적으로는 잘츠기터의 기가팩토리에서 2025년부터 통합 셀을 생산해 내재화를 하겠다는 것이다. 폭스바겐 그룹 전체 배터리 전기차의 80%를 충당한다는 것이 목표다. 궁극적으로는 그룹 판매의 40%를 차지하고 있는 중국 시장을 염두에 둔 포석이라는 것이 지배적인 의견이다.

그 과정에서 배터리 시스템의 가격을 1kWh당 100유로 미만으로 낮추고 파우치형이 아닌 각형을 생산한다는 방침이다. 여담이지만 이런 소식과 관련 LG와 SK가 폭스바겐 측과 면담을 요청했으나 거절했다고 한다.

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GM도 지난 3월 11일, 마크 로이스 사장이 차세대 얼티움 배터리에 대한 내용을 공개하면서 솔리드에너지시스템 (SolidEnergy Systems: SES)과 차세대 리튬 금속 배터리를 공동 개발하기로 합의했다고 발표했다. 리튬 금속 배터리는 경제성, 고성능 및 에너지 밀도의 조합이 특징이라고 밝혔다. 비용을 절반으로 줄이고 에너지 밀도를 두 배로 높일 수 있다고 한다. 초기 프로토타입 배터리는 이미 미시건주 워렌에 있는 GM의 글로벌 기술센터에 있는 연구개발센터에서 시뮬레이션 테스트 15만 마일을 완료해 잠재력을 확인했다고 덧붙였다. 이는 주행 거리를 1세대 얼티움 배터리의 최대 450 마일에서 500~600 마일까지 늘일 수 있다고 한다.

GM과 SES는 2023년까지 대용량 사전 생산 배터리를 위해 매사추세츠 주 워번에 제조 프로토 타이핑 라인을 구축할 계획이다. GM은 리튬 금속 배터리 관련 49개의 특허를 소유하고 있으며 45개가 출원 중이다. 궁극적으로는 GM도 배터리 셀 기술의 내재화를 추진하고 있다. 아직은 LG 에너지솔루션에 의존하고 있다.

현대차그룹도 배터리 기술 내재화에 대한 이야기가 나오고 있지만 상대적으로 신중한 움직임이다. 현대차그룹은 주로 국내 배터리 업체에 의존해왔는데 최근 중국 BYD의 리튬 인산철 배터리를 사용하기로 해 시선을 끌고 있다. 이는 코발트나 망간, 니켈과 같은 값 비싼 금속 대신 평범한 철을 사용하기 때문에 저렴할 뿐만 아니라 위험도도 낮다. 손상에도 훨씬 덜 민감하다고 한다. 특히 BYD는 자사의 세단 ‘한’에 탑재되는 블레이드 배터리는 공간 활용도가 50% 높다고 주장하고 있다. 중국산 테슬라 모델3에도 탑재되고 있다. 다만 추운 날씨에는 항속거리가 상대적으로 짧다는 단점이 있다고 한다.

현대자동차는 중국산 모델에 CATL의 배터리를 사용해 왔는데 장기적으로는 BYD로 전환하고 있다. 이는 BYD가 현대차의 연간 30만대 용량의 생산공장이 있는 충칭에 20GWh 용량의 배터리 공장을 건설하고 있다는 사실이 입증하고 있다. 물론 중국의 보조금 정책이 만든 결과다.

토요타자동차는 전고체 배터리 개발에 집중하고 있다. 당초 2020올림픽에 프로토타입을 선보일 것이라고 했지만 아직 구체화하지 않고 있다. 현재의 주류인 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도로는 대형차의 항속거리가 충분하지 않고 대중화를 위한 1kWh당 100달러 이하의 가격도 시간이 걸리고 있다. 테슬라도 4년 전에 2만 5,000달러 가격의 전기차를 2020년 선보이겠다고 했었으나 2020년 배터리데이에서 다시 3년 후를 이야기했을 정도로 쉬운 일이 아니다.

이런 리튬 이온 배터리의 문제를 해결할 수 있는 것은 전고체 전지, 즉 솔리드 스테이트 배터리라는 것이 현재로서는 정설이다. 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 300 Wh/kg이하인데 비해 전고체 배터리는 500 Wh/kg이상을 기대하고 있다. 급속충전 시간도 현재의 25분의 절반 이하인 12분에 가능하다고 한다.

액체 누설 및 휘발화와 같은 점화를 일으키는 전해질이 견고하게 만들어졌기 때문에 모든 고체 상태 배터리는 안전성이 높다. 또한 냉각 메커니즘과 같은 주변 부품은 쉽게 단순화될 수 있으며 배터리 팩으로서의 비용을 절감하고 적재 공간을 늘려 배터리를 적층할 수 있다는 것이 장점이라고 보고되고 있다. 배터리 셀 가격도 100달러/kWh 이하의 목표가 설정되어 있다.

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폭스바겐도 장기적으로 전고체 전지 개발을 목표로 하고 있다. 지금보다 두 배 빠른 충전과 30% 더 긴 항속거리를 가진 전고체 배터리 개발을 위해 2012년부터 미국의 퀀텀스케이프에 3억 달러 이상을 투자해 2025년을 목표로 설정하고 있다. 닛산도 2027~2028년을 목표로 기술 로드맵을 구축하고 있다.

현재 전고체 전지 개발을 선언한 업체는 이 외에도 중국의 CATL이 2026년 이후, 웰리온이 2022년, 고숀이 2025년, 칭타오(Qingtao Energy Development)가 2020년, 대만의 홍하이(폭스콘)가 2024년, 프롤로기움이2022년, 미국 솔리드 파워가 2023년, 영국 옥시스 에너지가 2023년 양산을 목표로 개발을 추진하고 있다.

국내에서는 현대자동차그룹이 2020년 전고체 배터리 개발을 선언한 이후 남양연구소 배터리 선행개발팀을 중심으로 전고체 배터리를 개발 중이며, 일부 기술을 확보한 것으로 알려져 있다. 국내 배터리 전문업체로는 삼성 SDI가 가장 적극적이지만 2027년 이후로 양산 시점을 잡고 있다. 물론 그 외에도 전고체 관련 기업으로는 배터리 제조설비업체 씨아이에스를 비롯해 이바코, 동화기업, 이수화학 등이 있다. 국내 스타트업 기업들도 완성단계에 와있다는 뉴스가 나와 있지만, 아직 구체화한 내용은 없다.

지금은 완성차 업체들이 배터리를 내재화하려는 움직임이 일고 있다. 엔진이 사라진 자동차에서 가장 중요한 것이 배터리라는 논리 때문이다. 방법은 다양하지만 노스볼트의 기술력도 문제지만 그것을 완성차회사들이 다시 내재화하는데는 적지 않은 투자와 시간이 필요하다. 그래서 GM은 LG와 협력해 당장의 물량을 해소하고 그것을 바탕으로 자체적인 배터리 개발을 하는 쪽으로 가고 있다. 결국은 배터리를 둘러싼 전쟁이 배터리 업체와 완성차업체간의 경쟁으로 이어질 것이라는 것을 상상할 수 있다. 하지만 배터리만큼이나 중요한 반도체를 중심으로 한 소프트웨어의 전쟁까지 가세한 상황에서 전통적인 자동차회사들의 존재감 자체에 의문부호를 제기하는 의견까지 제기되고 있다. 100년만의 대 전환은 무엇이 어떻게 바뀔지를 누구도 예상할 수 없게 진행되고 있다. 

(2021년 3월 30일 수정)

 

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