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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.

171. 파워트레인의 미래 – 57. 전기차용 배터리 원자재 문제 피할 방법은 있을까?

페이지 정보

글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-11-26 18:47:19

본문

2021 서울모빌리티쇼의 참가업체가 대폭 축소됐다. 참가한 업체들은 무대 위에 대부분 배터리 전기차를 올렸다. 모빌리티쇼라는 이름과는 달리 모빌리티에 관한 비전을 제시한 것은 현대차뿐이었다. 그러면서 배터리 전기차가 궁극의 대안 인가라는 질문이 등장했다. 탄소중립의 핵심은 내연기관차가 전기차로 바뀌는 것이 아니라 온실가스를 줄이는 것이고 그를 위한 가능한 모든 방법을 동원해야 한다는 사실은 적어도 한국에서는 제대로 인식되고 있지 않은 듯하다. 어쨌거나 급부상하는 배터리 전기차의 수요와 함께 이슈가 되고 있는 배터리 셀의 공급 물량 확대와 그 가능성에 대해 한국 배터리 3사를 중심으로 짚어 본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

배터리 제조업체들은 완성차회사들이 목표로 설정한 배터리 셀을 생산할 수 있을까? 2020년 전기차용 배터리 사용량은 144GWh였다. 2021년 1월부터 9월까지 전 세계 전기차용 배터리의 사용량은 2020년 같은 기간의 84.7GWh보다 131% 증가한 195.4GWh에 달했다. 업체별 점유율에서는 중국의 CATL이 60.9GWh(점율 31.2%)로 1위를 차지했고 다음으로 LG 에너지솔루션이 46.5GWh(23.8%), 파나소닉이 26GWh(13.3%), BYD 15.4GWh(7.9%), SK이노베이션 106GWh(5.4%), 삼성 SDI 9.0GWh(4.6%) 등의 순이었다.

여전히 중국업체들이 전체 시장을 주도하고 있고 한국의 LG 에너지솔루션과 SK이노베이션, 삼성 SDI가 추격하고 있다. 파나소닉은 테슬라와의 지분 관계 철회 등으로 새로운 길을 모색하고 있지만, 시장 성장세를 따라잡지는 못하고 있다.

그중에서 시선을 끌고 있는 것은 한국 배터리 3사다. 특히 이들은 미국 바이든 대통령의 각별한 관심(?) 속에 미국 시장으로의 진출이 활발하다. 바이든은 2030년까지 전기차(BEV+FCEV)의 점유율을 50%로 높인다는 목표를 포함한 행정 명령에 서명했다. 당연히 미국 내에서 자동차 생산을 하는 업체들은 전기차용 배터리 확보에 뛰어들고 있고 거기에는 GM과 포드 외에도 현대기아, 토요타, BMW, 메르세데스 벤츠, 폭스바겐 그룹 등도 포함되어 있다.

대부분의 시장이 그렇듯이 미국도 지금은 보조금으로 전기차의 수요 확대를 꾀하고 있다. 그것은 배터리 업체들에는 기회다.

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유럽의 경우 2021년 1월 기준 각 업체가 발표한 유럽 시장 배터리 생산량은 2025년까지 652GWh였다. 한국업체들이 193GWh, 유럽업체들이 161GWh, 중국업체들이 48GWh, 그리고 테슬라가 250GWh를 목표로 설정하고 있다. 그때 시장에서 필요한 용량은 400GWh로 공급과잉 수준이다. 이를 위해 노스볼트를 비롯해 한국 3사, 중국의 CATL, BYD, 고숀 하이테크 등이 공을 들이고 있다.

그런데 지난 8월 비정부기구인 T&E(Transport &Environment)는 유럽에는 400억 유로의 투자로 38개의 공장을 건설해 연간 1,000GWh의 배터리를 생산 계획이 진행되고 있다고 밝혔다. 이 수치가 과연 현실적인 것이고 실행 가능할 것인가에 대한 분석이 필요한 상황이다.

거기에 더해 미국 시장까지 소화해야 한다. 한국 업체 중 LG 에너지솔루션은 이미 GM과 합작법인 얼티움 셀을 설립해 미국 오하이오에 연간 35GWh 용량의 배터리 생산 공장을 건설했다. 지난 4월에는 다시 23억 달러를 투자해 GM과 공동으로 미국 테네시에 제2배터리 공장을 건설하기로 했다. 장기적으로는 70GWh를 목표로 하고 있다.

얼티움 셀의 배터리는 지난 11월 17일 GM의 팩토리 제로 전기차 공장의 준공식에 참석한 바이든 대통령으로부터 호평을 받았다는 뉴스와 함께 그 주목도를 더 높이고 있다. 이번에 생산한 배터리는 니켈 함량이 높은 NCMA(니켈, 코발트, 망간 및 알루미늄)로 배터리 전기 픽업트럭 허머에 축전용량 200kWh가 탑재된다. NCMA 배터리는 배터리 팩 내부의 셀 배열을 단순화한 것이 특징이다. 그만큼 부피가 줄고 에너지 밀도도 10% 향상됐다고 한다.

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LG 에너지 솔루션은 지난 10월 스텔란티스와도 합작 투자를 통해 연간 40GWh 배터리 셀과 모듈을 생산하기 위해 미국에 공장을 건설하기로 합의했다. 2022년 여름에 공사가 시작되어 2024년 1월부터 3월까지 스텔란티스그룹의  차세대 배터리 전기차에 공급할 예정이다.

이 외에도 LG 에너지 솔루션은 미시간에서도 40GWh의 용량을 추가해 2025년까지 북미 지역에서만 연간 150GWh의 배터리를 생산하게 된다. 그뿐만 아니라 중국산 원통형 셀의 용량을 2023년까지 60GWh까지 세 배로 늘릴 것이라고 한다.

그동안 국내 3사 중 미국 내 비율이 가장 높았던 SK이노베이션에서 분사한 SK온도 지난 9월 포드와 합작 회사 블루오벌SK(BlueOvalSK)를 설립해 2027년까지 테네시와 켄터키에 연간 129GWh 배터리 및 배터리 전기차 생산 공장을 건설하기 위해 약 114억 달러를 투자하기로 했다.

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SK온은 미국 조지아에 자체 배터리 생산 공장을 보유하고 있으므로 포드와의 합작투자분을 합하면 미국 내 생산용량은 150.5GWh가 된다. SK온은 2023년 글로벌 배터리 생산 능력을 85GWh, 2025년 220GWh, 2030년 500GWh 이상으로 늘릴 계획이다. 포드와의 합작으로 당초 목표는 초과할 것으로 보인다. 여기에는 지난 11월 초 중국 내 네 번째 배터리 셀 공장 건설을 위한 투자까지 포함된 것이다. 이렇게 되면 SK온은 중국 내에 40GWh의 생산용량을 갖추게 된다.

Sk온은 올해 12월부터 니켈 함량이 높은 NCM 9:0.5 :0.5 배터리 셀 양산을 시작할 예정이며, 2022년 상반기에 출시될 포드의 F-150 라이트닝 픽업트럭에 탑재된다. 에너지 밀도는 자사의 NCM 8:1:1 배터리보다 약 20% 높으며, 이는 주행거리 증가로 이어진다. 알루미늄을 사용하지 않고 니켈 함량을 90% 이상으로 높이는 움직임은 3사 모두 비슷하다.

삼성SDI도 지난 10월 스텔란티스와 차세대 전기차용 배터리 생산 합작투자를 위한 양해각서를 체결했다. 삼성 SDI로써는 미국 최초의 배터리 셀 생산 공장이 건설되는 것이다. 미시간주에는 배터리 팩 공장이 있지만, USMCA(미국-멕시코-캐나다 협정)에 규정된 관세 면제 요건을 충족하기 위해 미국에 배터리 셀 생산 공장이 필요한 상황이었다. 삼성 SDI는 2025년 상반기부터 미국 내에서 연간 23GWh 용량의 배터리 셀과 모듈을 생산하기 시작해 장기적으로는 40GWh로 늘린다는 계획이다.

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삼성 SDI에서 생산되는 배터리 셀은 LG에너지솔루션의 그것과 마찬가지로 북미지역에서 생산되는 스텔란티스 그룹 내 브랜드의 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차에 탑재되게 된다. 삼성 SDI는 피아트 500e와 지프 랭글러 4xe EV, 스타트업 리비안의 픽업트럭에도 원통형 배터리를 공급하고 있다.

삼성 SDI는 지난 8월 기존 배터리 셀 공장을 전기차용으로 전환하기 위해 2,800억 원을 투자하기로 했다.

한국 배터리 3사는 2025년에는 미국에서만 393GWh의 배터리 셀을 생산하게 된다. 이는 유럽 193GWh의 두 배에 달하는 것이다. 합하면 586GWh에 달한다. GM이 차세대 배터리를 개발하기 위해 배터리 셀 이노베이션센터를 설립하기로 하고 리튬 메탈과 실리콘 및 고체 배터리와 같은 새로운 기술 개발을 가속화하기로 했는데 이 역시 지켜 볼 일이다. 배터리 기술이 그렇게 간단치 않다는 것이 전문가들의 의견이다. 

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문제는 최근 급부상하고 있는 리튬 등 원자재 가격의 상승과 미중 무역 분쟁으로 인한 영향이다. 중국제조 2025 정책이 그 발단이 된 반도체의 전철을 밟지 않을 수 있는지다. 중국제조 2025는 2025년까지 첨단 의료기기, 바이오 의약 기술 및 원료 물질, 로봇, 통신 장비, 첨단 화학제품, 항공우주, 해양엔지니어링, 전기차, 반도체 등 10개 하이테크 제조업 분야에서 대표 기업을 육성하는 것이 목표다. 이를 위해 중국 정부는 자국 기업에 대규모의 보조금을 지원하고 중국에 진출한 외국기업에는 핵심기술을 이전하라고 압박을 가하고 있다. 특히 중국은 자국의 반도체 산업 육성을 위해 지난 2015년을 시작으로 10년간 1조 위안(약 170조 원)을 쏟아붓는 이른바 ‘반도체 굴기’를 추진하고 있다.

제 2의 반도체로 여겨지고 있는 배터리 문제도 최근 바이든이 이끄는 미국 정부의 행보를 보면 중국 의존도가 높은 배터리 원자재 수급이 리스크로 작용할 가능성이 이미 대두되어 있다. 배터리 가격은 2010년 kWh 1,200달러수준에서 2020년에 137달러로 급격히 하락했다. 그로 인해 배터리 전기차의 판매를 늘릴 수 있었다. 그런데 BYD는 11 월부터 약 20 % 증가 할 것이라고 고객에게 통보한 것으로 알려졌다. 탄산리튬의 중국 거래 가격은 11월 중순 기준 톤당 19만 9,000위안으로 2021년 초보다 4배 증가한 것으로 예상된다.  

한국은 배터리 생산에 필요한 마그네슘은 전량을, ​리튬 소재는 92%, 희토류 재료는 88%를  중국에서 수입하고 있다. 희토류는 전 세계 매장량의 37%가 중국에 있고 생산량은 58%, 희토류 산화물은 70% 가까이 장악하고 있는 중국의 힘을 극복할 수 있을지 미지수다. 중국의 희토류 생산량은 2010년대 98%까지 치솟았으나 2020년에는 58%로 하락했다. 중국은 전 세계 희토류의 57%를 수입하는 최대 수입국이다. 2019년 기준 희토류의 부존량은 중국이 36.7%, 브라질이 18.3%, 베트남 18.3%, 러시아 10.0%, 인도 5.8% 등이다. 희토류는 중국의 영향이 아니더라도 근본적으로 매장량에 한계가 있다. 그러니까 리튬과 코발트, 희토류를 사용하지 않는 배터리를 개발해야 한다는 것이다.

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최근 자동차기자협회가 개최한 심포지엄에서 산업통상자원부 자동차과 이민우 과장은 이에 관한 질문에 대해 그에 대해 파악은 하고 있지만 당장에 수급 문제가 불거질 가능성은 낮다고 답했다. 하지만 그것은 한국 정부의 입장이다. 일본의 소재 수출 금지와 요소수 사태에서도 드러났듯이 여전히 닥치면 그때서야 부랴부랴 대책 마련을 하는 자세에서 벗어나지 못하고 있다. 반도체 소재와 요소수는 그나마 자체 기술 개발과 다른 수입원의 동원이 가능하다. 하지만 요소수 사태에서 알 수 있듯이 결국은 중국과 타협을 하지 않고는 근본적인 해결은 불가능하다. 

물론 지난 6월 인터배터리 2021에서 하이니켈 양극재를 선보인 포스코가 최근 리튬 재료 생산에 착수하는 등 대안을 마련하고자 하는 움직임은 있다. 참고로 리튬에는 탄산리튬과 수산화 리튬 등이 있는데 바닷물에 풍부한 자원으로 이산화탄소 배출이 적고 가격이 저렴한 수산화 리튬은 호주, 칠레, 중국, 아르헨티나 등 4개국이 생산량 90% 이상을 차지하고 있다. 2021서울모빌리티쇼에서 기아가 밝혔듯이 완성차 회사도 폐배터리 재활용에 나서고 있다. 배터리 3사도 폐배터리 재활용은 물론이고 인권 문제까지 부각되고 있는 콩고민주공화국에 절대적으로 의존하고 있는 코발트를 사용하지 않는 배터리 개발에 나서고 있다.

해외에서는 지금 유럽업체들과 배터리 공장 건설이 한창인 노스볼트가 최근 활용 프로그램인 리볼트(Revolt)를 통해 배터리 폐기물 재활용을 통해 니켈, 망간 및 코발트 음극을 채용한 첫 번째 리튬 이온 배터리 셀을 생산했다고 발표했다. 재활용 물질로 생산된 최초의 NMC 셀은 전기 화학적 성능이 갓 채굴된 재료를 사용한 셀과 동등하다고 덧붙였다.

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또한, 니켈, 망간 및 코발트의 회수 및 재사용을 위한 모든 재활용 및 생산 공정은 스웨덴 베스테로스의 노스볼트 연구소에서 완료됐다고 한다. 특히, 금속을 불순물에서 분리하기 위하여 수성 용액을 사용하는 저 에너지 하이드로 메탈 처리를 통해 NMC 전지용 금속을 회수했다고 밝혔다.

중국 업체들은 최근 리튬인산철 배터리 사용량을 늘리며 이를 세계 시장으로 확대하고 있다. CATL은 유럽은 물론이고 한국에도 배터리 셀 공장을 건설하고 있다.

궁극적으로는 토요타와 BMW, 메르세데스 벤츠, 폭스바겐, GM, 포드, 현대차 등이 차세대 배터리를 개발하기 위한 연구소를 설립하는 것에서 알 수 있듯이 이제 배터리는 배터리 회사들만의 비즈니스가 아닌 상황으로 전개되고 있다.

배터리 전기차의 용량을 늘리는 것보다 더 중요한 것은 지속가능한 전기차 비즈니스를 위한 새로운 대안이 시급히 마련되어야 한다는 점이다.​
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