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[오토저널] xEV용 배터리 마켓 트렌드

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-10-27 13:28:44

본문

급격하게 변화하는 환경속에서 전기자동차를 생산하여 규제에 대응하고 성장을 담보하려는 글로벌 자동차사들의 연도별, 전기자동차 종류별, 그리고 지역별로 구분하여 전기자동차 생산계획을 추정하였다. 전기자동차 생산과 판매수량의 증가는 배터리의 수요증가와 직결되며, 배터리사들은 수요에 대응하기 위해 연도별, 그리고 지역별로 설비투자를 진행하고 있다. 

본 고에서는 전기자동차용 배터리의 수요와 공급 밸런스를 중장기 관점에서 분석하였고, 수반되는 시사점을 기술하였다. 전기자동차용 배터리는 약 10여년 정도 사용하게 되면, 수명이 다 되어 교체나 폐기를 하게 된다. 이때 발생되는 “사용후” 배터리는 재사용과 재활용이라는 Second Life가 존재한다. 이와 관련된 시장 현황을 부언하였다. 

성장동인
2015년 파리 기후협약 이후 국제사회에 약속한 국가별 온실가스 감축목표의 이행력을 높이기 위해 여러 국가들은 전기자동차 보급을 장려하였다. <표 1>에 주요 지역별 규제와 지원제도를 표시하였다. 

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지역별 규제와 지원제도를 보면, 서로 매우 유사한 형태로 보이나 전기자동차 관련 사업을 강화하려는 입장은 지역별로 조금씩 차이가 존재한다. 중국은 등소평의 개혁개발정책에 따라 중국이 자동차 산업을 리딩하기 위한 것이며, 물론 기존 내연기관차량으로는 선진업체를 따라가기 어렵고, 베이징과 같은 주요도시의 미세먼지를 효과적으로 줄이는 효과도 고려되었을 것이다. 유럽의 경우는, 기업들이 전기자동차 외에는 환경문제에 대응할 수 없고, 기업생존에 직결된 상황으로 인식한 것으로 생각된다.

실제 유럽내 디젤차량 판매 비중이 급감하고 있고, 일부 도시에서는 디젤 차량의 운행금지를 검토하거나 실시할 준비를 하고 있다. 미국은 기업 평균 연비규정(CAFE)를 지속적으로 실시하고 있는 캘리포니아를 중심으로 전기자동차 시장이 활성화되고 있으며, CAFE 제도를 채택하고 있는 주도 10개 이상으로 늘어나고 있다. 다만, 최근에 트럼프 행정부가 연비규제 완화정책을 채택하였으나, 전기차 시장성장을 변화시킬 만한 요소로는 여겨지지 않는다. 과거 10여년간 지속적으로 실시된 규제와 지원제도는 중국의 BYD와 테슬라와 같은 스타기업을 탄생시켰다. 테슬라는 자동차사 중 시가 총액이 1위(2020년 7월 기준)가 되어 이목을 집중시킨 전기차 전문업체이다. 전기자동차 성장에 중요한 또다른 항목으로 배터리기술의 발전이다. <그림 1>에 전기자동차(BEV_승용차) 배터리의 셀과 팩의 평균원가의 연도별 전망을 나타내었다. 

배터리 원가는 지속적으로 하락이 예상되며, 2030년에는 셀의 평균 원가는 65$/kWh 수준 도달이 전망된다. 전기차와 내연기관 차량의 가격이 같아지는 배터리 셀가격을 100$/kWh 정도로 추정하면, 2021년 이후에는 패러티 도달이 예상된다. 그리고, 2015년에서 2020년까지 배터리의 중요한 성능 중 하나인 셀의 에너지 밀도는 약 200에서 300Wh/kg으로 큰 폭으로 향상되었다.

셀의 가격하락과 에너지 밀도향상은 양극재의 Hi-니켈화와 대량생산으로 인한 생산성의 향상이 주요한 요인으로 추정된다. 

자동차 회사
전기자동차 판매수량을 예측하기 위해 먼저 자동차회사들의 생산계획 및 향후 전략방향을 조사하였다. 차량출시전 약 3년정도 전에 차량개발에 착수하고, 핵심부품 수급에 관한 계약은 약 2~3년 전에 이루어진다. 조사된 Data에 반영하여 연도별 자동차 판매전망을 예측하였다. 그리고, 그 결과치를 <그림 2>에 나타내었다.

2019년에서 2030년까지 전기차의 연평균 성장율은 23%이며, 배터리의 동기간 연평균성장율은 35%로 전망되었다. 이는 배터리용량이 작은 HEV(약 1.2kWh/대)보다는 BEV(약 54kWh/대)가 시장을 리드할 것으로 예상되기 때문이다. 지역적으로는 유럽시장이 지속적으로 확대되어 2030년에는 중국과 유사한 규모의 시장을 가질 것으로 전망된다. 판매대수와 소요용량이 2019년대비 2020년이 감소한 이유는 Covid-19 영향을 반영한 것이고, Covid-19는 2021년까지 영향을 미치고 2022년부터는 정상적인 시장 성장이 이루어질 것으로 전망하였다. Covid-19가 시장에 미치는 영향은 당초 Covid-19 이전 전망대비 2020년과 2021년에는 판매대수 기준으로는 각기 -36%, -8%로 축소 전망하였다. 전기차 생산 및 판매확대가 늘 것으로 추정되는 글로벌 Top 5 자동차사의 예상되는 연도별 전기 승용차 판매대수를 <표 2>에 나타내었다. 

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2025년 전기승용차 판매대수는 천만대를 돌파할 것으로 전망된다. VW이 연평균 38% 이상 성장을 하여 2027년 Toyota를 넘어 1위로 부상할 것이며, Toyota는 기존 HEV 중심에서 2020년부터는 PHEV 및 BEV로 확대가 예상된다. Renault-Nissan, 현대-기아 및 Tesla도 연평균 20% 이상 고성장이 전망된다. 이외에도 전기자동차의 판매수량을 적극적으로 늘릴 업체로는 GM, Honda, PSA, Geely 및 FCA가 예상된다. 전기 승용차이외에 상용차로 분류된 픽업트럭, 소형트럭 등도 2022년을 기점으로 다양한 모델출시가 예상되며 판매확대가 이루어질 것이다. 대표적인 모델은 테슬러의 사이버 트럭 등이 있으며 미국과 유럽을 중심으로 성장세가 두드러질 것으로 전망된다.

배터리의 수급 전망
전기자동차 시장성장에 맞물려 소요되는 배터리 사용량도 크게 증가하게 되고, 배터리 업체의 증설도 활발하게 이루어지고 있다. 2020년 기준 배터리 생산지는 중국, 한국 및 일본에 몰려 있다. 최근 배터리 공장 투자방식은 사용하려는 자동차사와 여러 형태로 맞물려 진행되고 있으며, 합작투자(자동차사 독자 투자 포함)나 자동차사와 계약을 근거로 배터리사가 투자하는 형태가 많다. 배터리 투자와 생산지는 중국 중심에서 유럽과 미국에서 지속적으로 증가하여 2030년 기준 중국이 56%, 유럽이 32% 그리고 미국이 9%를 점유할 전망이다. 반면 일본과 한국은 2020년 각각 3%씩 점유하던 것이 2030년에는 각각 2% 및 1% 점유가 예상된다. 업체별로는 한국 및 중국업체가 연평균 23% 성장이 예상되며, 2030년 기준 전체의 87% 점유율이 전망된다. 반면 일본 업체는 캐파증설에 보수적인을 입장을 유지하고 있으며, 유럽 연합의 업체들이 배터리 사업에 적극적으로 진입할 것으로 예상된다. 

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주요한 업체로는 한국의 경우 LGC, SDI 및 SKI이며, 중국은 CATL, BYD, Lishen, Guoxuan, EVE, CALB 등이 있다. 향후 유럽 신규 업체로는 Northvolt, Tera-E, Saft 및 VW 등이 주요 공급사가 될 전망이다. 전기차에 필요한 배터리의 소요 전망과 배터리업체들의 증설현황을 연도별로 구분한 수급전망이 전기차 성장과 시장내 경쟁관계에 매우 중요한 영향을 미치게 된다. <그림 3>에 2018년부터 2030년까지 글로벌 배터리 수요와 공급 발란스를 나타내었다.

여러 배터리 업체들의 생산능력 확보에도 중장기 수급관점에서 보면 2024년부터는 배터리 부족이 예상된다. 자동차사와 배터리사와 상호매칭을 하여 보면 조금 더 심각하게 될 수 있는 상황이 예상된다. 즉, 배터리 캐파는 전세계 모든 배터리 투자계획을 반영하고 있고, 이 중 중국 배터리사 캐파가 포함되어 있다. 글로벌 자동차사의 관점에서는 CATL, BYD 및 Guoxuan 등의 우량 배터리사를 제외하고는 안정적인 품질확보, 체계적인 생산방법 및 개발능력 등을 고려한 경우, 선택할 수 있는 배터리 업체가 많지 않다. 자동차사들이 지분참여 등을 통한 배터리확보 노력이 예상되지만, 이미 검증된 배터리사로 쏠림 현상은 시간이 갈수록 두드러질 것으로 전망된다. 지역별 배터리 소요량과 생산거점의 수급발란스를 분석하면, 향후 일정기간 동안 중국 내 여유분의 배터리가 유럽과 미국지역으로 이동이 예상된다. 이에 수혜가 예상되는 기업들은 LGC, SDI, SKI, CATL 및 BYD 등 우량 배터리업체가 될 것이다. 중국 배터리사들도 중국내 투자 보다는 유럽과 미국 등으로 생산거점을 변경할 가능성이 높다. 

배터리 타입, Chemistry 및 재사용/재활용
전기자동차용으로 사용되는 배터리 타입은 원통형, 각형 과 파우치형으로 구분된다. 2020년 글로벌 기준 배터리 타입별 점유율은 각형이 36%, 파우치가 35% 그리고 원통형이 29%로 서로 균일하게 사용되고 있는 상황이다. 배터리 타입 결정시 고려항목은 가격, 설계 자유도 및 안정성 등을 꼽을 수 있다. 가격은 원통형이 다소 유리하나 파우치 타입은 설계 자유도와 기술개발을 통한 원가하락 여지가 원통형보다 큰 것으로 조사되었다. 2030년의 배터리 타입별 사용량을 예측하면, 각형과 파우치형이 47%, 42%로 절대적인 우위를 나타낼 것으로 전망된다. 이는 테슬라 이외에는 원통형을 선호하는 자동차사가 많지 않기 때문이다. 테슬라도 중국내 모델3에 각형을 CATL로부터 수급 받아 사용하기 시작했다. 

배터리 Chemistry의 변화방향은 에너지 밀도 향상과 원가절감이 메인 축이다. 원재료 중 가격이 가장 높고, 지역별 특성으로 수급불안이 우려되는 코발트 사용량을 줄이는 것이다. 이를 구체화한 것이 Hi-니켈화이다. 기존 NCM111(몰비 기준으로 Ni, Co 및 Mn의 비율이 1:1:1임을 의미함)에서 Ni 몰비를 증가하고 Co의 몰비를 축소하는 것으로 NCM532 및 NCM811 등이 있다. 양극재 입자에 미량의 원소를 도핑하거나 별도의 처리를 하여, Co 함량 감소로부터 야기될 수 있는 열적 안정성 및 반복적인 충방전 특성 유지가 핵심기술이며, 최근 NCM811재료는 일부 차종에 적용되기 시작하였으며, 향후 확대가 전망되고 있다. 이러한 Chemistry의 Hi-니켈화는 가속화될 것이며 NCM91/21/2 및 심지어 Co 사용이 전혀 없는 NMx 등의 Chemistry도 개발이 진행되고 있다. Hi-니켈화는 에너지 밀도의 향상 뿐만 아니라 원재료가격도 감소시킬 수 있는 지속적인 개발방향이라고 판단된다. 또 다른 한 축으로는 기존 액체 전해질을 고체로 변경하여 에너지 밀도와 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전고체 전지이다. 

산화물, 고분자 및 황화물의 세 가지 재료가 활발하게 개발되고 있다. 고분자로는 프랑스 Bollore가 개발하여 사용하고 있지만, 성능이 기대에 못 미치고 있고 Toyota를 중심으로 한 황화물은 2023년을 전후로 시장에 출시될 것으로 전망된다. 많은 Start Up들이 개발에 참여하고 있으며 기술발전이 전망된다. 일정기간 사용된 전기자동차(대략 8~13년의 사용)는 폐차시 ‘사용후’ 배터리가 발생하게 된다.

 ‘사용후’ 배터리는 분쇄와 화학적 처리를 통해 원재료를 추출하게 되고 추출된 원재료로 리사이클 시장을 형성하게 된다. 또한, ‘사용후’ 배터리는 차량에 장착시와 비교하여 약 80% 정도의 잔존용량을 보유하고 있는데 ‘사용후’ 배터리내의 모듈과 셀을 전기자전거, 가로등 및 에너지 저장장치 등에 사용될 수 있으며, 배터리 재사용 시장을 만들게 된다. ‘사용후’ 배터리의 재사용과 재활용 시장은 환경, 안정성 문제점 및 경제적 기여 관점에서 반드시 발전시켜야 하는 사업이다. 2010년부터 보급되기 시작한 전기자동차는 연도에 따라 ‘사용후’ 배터리를 배출하기 시작하였으며, 2030년에 글로벌 기준으로 670 GWh ‘사용후’ 배터리가 발생될 것이 전망되며 이때 재활용 시장은 12조원, 재사용시장은 19조원으로 확대가 예상되며 이후에도 매우 높은 성장이 전망된다. 시장생성의 초기인 재사용 및 재활용 시장은 시장활성화를 위하여 쉬운 탈거와 분해, 편리하고 정확한 배터리 잔존능력 평가, 다양한 재사용 활용처 발굴, 경제성 있는 유가금속 추출방법 및 관련되는 법규/법령제정 등의 많은 선결과제가 있다. 전기차 보급에 앞장섰던 중국은 ‘사용후’ 배터리에 대한 책임을 전기차 생산자에게 부여하는 법규를 제정하였고, 관련 산업군을 육성하기 위한 사항을 차분히 진행하고 있다. 유럽의 경우는 유럽내 배터리 생태계 활성화와 연계하여 관련 법규를 재정비하고 있다. 우리나라에서는 배터리 재사용과 재활용의 사업모델을 정착하기 위해 나주 및 포항을 배터리 재사용 및 재활용 특구로 지정하여 기술개발 및 응용처 발굴 등의 다양한 활동을 진행하고 있다.

글로벌 자동차 회사들은 새로운 전기자동차 모델을 계획하고 연도별로 출시계획을 공표하고 있으며, 발표된 전기 자동차 생산 및 판매계획은 과거 내연기관 차량의 규모와 거의 견줄 수 있는 상황이다. 반면 내연기관 차량에 대해서는 추가개발을 포기하는 기업이 나타나기 시작하였으며, 일부 국가와 도시들은 내연기관 차량의 진입을 금지하는 법안을 심도 있게 검토하기 시작했다. 

빠르게 성장하는 전기차 시장은 곧 배터리 시장 성장을 의미한다. LGC, SDI 및 SKI의 국내 3사가 배터리 시장을 선점하고 있고, 향후 시장을 리드할 것으로 전망된다. 배터리의 기술 발전도 매우 빠르기 때문에 시장선점의 효과를 극대화하기 위해서는 산학연의 밀접한 협업을 통하여 초격차를 유지, 확대하는 방안이 절실한 상황이다.​

 

글 / 김대기 (SNE리서치)

출처 / 오토저널 2020년 8월호 (http://www.ksae.org) 

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