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[오토저널] 전기자동차 중심의 패권 다툼과 우리의 대책

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-08-08 09:26:04

본문

미래에 자동차는 전기자동차가 주력이 될 것이다. 전기자동차의 핵심은 배터리인데, 현재의 리튬이온 배터리는 근본적으로 불안정성 문제가 있고 에너지 밀도가 낮아 중량이 크고 가격이 비싸므로 이를 해결하는 차세대 배터리 개발이 필요하다. 그런데 배터리의 핵심원료인 희토류를 중국이 대부분 장악하고 있는 현 상황에서 팬데믹과 미-중간의 무역분쟁 등 정치적 갈등의 지속으로 공급불안이 상존하고 있으며, 중국이 자원을 무기화할 경우 미래자동차산업에 심각한 위협으로 작용할 것이다. 이에 우리기업들과 정부는 위기와 기회를 어떤 전략과 정책으로 대응해 나가야 할 것인지 살펴보고자 한다.

전기자동차가 몰고 올 자동차산업의 지각변동
전기자동차, 드론, 도심항공기(UAM), 퍼스널모빌리티(PM), 배송로봇 등 미래의 다양한 이동수단들의 주동력원은 전기가 될 것이다. 이러한 동력원의 전환은 지구온난화를 억제하기 위한 글로벌 차원의 노력과 각국이 자동차로 인한 배출가스 및 미세먼지에 대한 규제를 강화하면서 가속화되고 있다. 당장 자동차업체들이 달성하여야 하는 이산화탄소 규제 목표는 물론이고 장기적으로 2050년 탄소중립(Net zero)을 위해 늦어도 2035년이면 내연기관차 판매를 중단해야 하는 상황이므로 기존 자동차업체들의 고민이 깊어지고 있다.

전기자동차의 선구자는 테슬라(Tesla)라고 할 수 있다. 최근에는 미국의 리비안(Rivian), 루시드(Lucid)와 중국의 쉬펑(Xpeng), 니오(Nio), 리오토(Li Auto), BYD 등의 신생기업들이 글로벌 자동차시장에서의 영향력을 확대하면서 전통적인 자동차업체들이 경쟁에서 밀려나지 않을까 위협을 느끼고 있다. 사실 내연기관은 엄청난 자금을 투입하여 장기간의 연구개발이 이루어져야 개발될 수 있으며 이를 위한 막대한 조직과 인력이 필요하다. 이는 새로운 신생기업들에게 높은 진입장벽으로 작용하여 왔는데, 전기자동차의 등장은 이러한 진입장벽을 완전히 무너뜨리고 전통적인 자동차기업들의 경쟁력을 초기화(Reset)시키는 결과를 가져왔다. 파워트레인이 전기가 되면서 동력장치가 배터리와 모터로 단순화되어 누구든 진입하여 다양한 모빌리티를 제조할 수 있는 평평한 장(Level playing field)이 형성되었다.

많은 스타트업들이 시장에 진출하여 기업가치를 올리는 이유이다. 2021년말 테슬라의 시가총액이 1,200조원을 넘어 기존의 글로벌 10대 자동차업체들의 시가총액의 합을 넘었고, Rivian과 Lucid가 기업을 공개하자 마자 시장가치가 기존 업체를 넘어 폭발적으로 증가하고 있다. 이들의 출현으로 새로운 글로벌 경쟁관계가 형성되고 장기적으로 모빌리티의 헤게모니에 엄청난 변화가 예상되고 있다.

전기자동차의 핵심인 차세대 배터리의 조기 개발이 무엇보다 중요
전기자동차(배터리전기자동차와 수소연료전기자동차가 있으나 여기서는 대세인 배터리전기자동차에 중점)의 주요 구성품은 배터리, 모터, 인버터, 컨버터 등이며, 그 중에서도 핵심은 단연 배터리이다. 배터리는 현재 전기자동차 생산원가의 40%를 차지하고 있어 가격을 여하히 인하하느냐가 기업 생존의 관건이 될 것이다.

현재 배터리는 리튬이온 이차전지가 주류이다. 리튬이온배터리의 주 구성부품은 음극재, 양극재, 전해질, 분리막 등이다. 양극(Cathode)에는 리튬산화물을 주로 사용하며, 음극(Anode)에는 대부분 흑연(Graphite)을 사용하며, 전해액(Electrolyte)은 리튬염(Li Salts)과 유기용매(Organic Solvent) 및 첨가제로 구성된 액상물질이며, 분리막은 세라믹 코팅 폴리에틸렌(PE/PP)을 주로 사용하고 있다.

배터리를 충전하면 양극에 있던 리튬이온이 전해액과 분리막을 거쳐 음극으로 이동하고 이때 리튬이온의 전자는 전도체를 통해 음극으로 이동함으로써 전기가 발생한다. 리튬은 원소주기율표상 수소, 헬륨 다음의 불안정한 알칼리금속으로 물과 만나면 격렬하게 반응하여 열을 발생시킨다. 이것이 리튬이온 배터리의 최대 약점으로 작용한다.

이처럼 리튬이온 배터리는 액체상태의 전해액과 손상되기 쉬운 분리막 등으로 충방전이 거듭될수록 더욱 불안정한 상태가 되는데 이를 제어하는 소프트웨어(BMS)가 매우 중요하다. 또한 매년 2~3% 정도 성능이 저하되어 10여년이 지나면 통상 70% 정도로 성능이 떨어져 1회 충전 주행거리도 초기에 비해 크게 감소하며 심지어 배터리팩 전체를 교체해야 하는 상황이 발생되는데, 이 경우 약 2,000만원 정도의 교체비 용이 발생한다. 중고 전기자동차 가격이 차령이 늘수록 급속히 떨어지는 이유이기도 하다.

리튬이온 배터리의 단점을 보완한 차세대 배터리의 조기 상용화가 관건
이러한 리튬이온의 단점들을 보완한 차세대 배터리 개발과 에너지효율을 높이는 노력이 무엇보다 중요하다. 음극재와 양극재에 어떤 재료를 사용하느냐에 따라 배터리의 에너지밀도와 성능, 가격에 영향을 미친다. 양극활물질의 경우 고가의 코발트 함량을 줄이고 니켈 함량을 늘리거나(NCM : 니켈-코발트-망간 혹은 NCMA : 니켈-코발트-망간-알루미늄), 양극재를 메탈, 황, 공기(산소) 등으로 대체하는 연구가 진행되고 있다.

장기적으로는 액상의 전해질을 세라믹, 유리와 같은 고체나 젤 형태의 폴리머로 대체하는 전고체배터리를 개발하여야 한다. 현재 전고체배터리 개발에 300여개 이상의 글로벌 기업들이 뛰어들고 있는데 2025년경이면 상용화가 되지 않을까 예상된다. 만약 전고체배터리가 개발되면 전기자동차 시대에 게임체인저가 될 것이다.

전기자동차는 누가 먼저 경쟁적인 가격에 차세대 배터리를 개발하느냐에 따라 향후 판도가 크게 달라질 것이다. 마치 핸드폰 배터리가 점점 소형화되면서도 사용 시간은 길어졌듯이 전기자동차의 배터리가 크기와 중량이 작아지면서도 성능이 향상되고, 가격도 KWh당 100불 이하로 떨어진다면 전기자동차 가격이 내연기관차와 유사해질 수 있을 것이다.

예를 들어, 현재 리튬이온배터리의 에너지밀도가 약 300Kwh/kg 정도이나 앞으로 700Kwh/kg 이상으로 높아진다면 현재 차량 한 대에 들어가는 500kg 정도의 배터리를 250kg 이하로 줄일 수 있고 부피도 크게 줄어들 것이다. 이에 따라 50KWh 배터리를 장착한 전기자동차의 가격이 내연 기관차와 비슷한 수준(약 3,500만원)이 되고 한번 충전으로 500Km(연비 약 10Km/KWh) 이상 운행할 수 있게 되면 현재 전기자동차 구매자들이 겪고 있는 불편들이 크게 줄어들 것이다.

미국과 EU의 높은 아시아 의존에 위기의식- 배터리 얼라이언스로 대응
글로벌데이터(GlobalData)에 따르면 글로벌 배터리 수요는 2020년 412GWh에서 2030년 3,964GWh로 10배 가량 증가하는 것으로 전망되고 있다. 원전 1기가 약 1GWh의 전력을 생산하므로 2030년에는 3,000기 이상의 원전이 신규로 필요하다는 얘기다.

현재 글로벌 배터리공급은 중국의 CATL, BYD와 한국의 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온, 일본의 파나소닉 등 6개 업체가 85% 이상을 차지하고 있어 미래의 동력원은 아시아가 사실상 장악하고 있는 셈이다. 특히 배터리의 원료인 희귀금 속은 중국이 약 80%의 채굴권과 제련능력을 보유하고 있는 상황이다.

미국과 유럽 국가들은 전기자동차의 핵심인 배터리와 희토류의 아시아 편중과 지나친 의존에 위기의식을 느끼고 국가 차원의 지원을 획기적으로 늘리고 동맹국들과 전략적 공조를 통한 공급망 안정화를 도모하고 있다. 미국의 경우 지난 6월 바이든 행정부가 주요 4대 품목(배터리, 희토류, 반도체, 의약품)에 대한 공급망 100일 보고서를 발표하면서 동맹국과의 공조를 통한 전략적 협력을 대안으로 제시하였다. 이에 따라 미국의 Big 3는 우리나라 3대 배터리업체들과의 미국내 합작투자를 확대하고 있다. GM은 LG에너지와 합작으로 미국 오하이오 및 테네시주에 70GWh 규모의 기가팩토리를 건설 중이며, Ford는 SK온과 합작으로 BlueOvalSK 배터리공장을 켄터키(86GWh)와 테네시(43GWh)에 건설할 예정이다. 또한 Stellantis는 LG에너지 및 삼성SDI 등과 최근 북미지역 기가팩토리 합작 의향서를 교환하였다.

반면 유럽의 경우 역내 배터리 관련 기업들의 얼라이언스(EBA)를 결성하여 배터리 및 희토류의 현지 생산기반 확대와 내재화 방향으로 선회하고 있다. VW, Benz, BMW 등 유럽업체들은 Northvolt, Britishvolt, QuantumScape, ACC 등 유럽 내의 배터리제조업체들로 EU Battery Alliance(EBA250)를 결성하고 기가팩토리 확충에 투자를 확대하고 있다. 이에 따라 현재 글로벌 배터리 공급능력의 72%를 중국이 차지하고 있으나 2030년이 되면 유럽의 점유율이 33.4%로 확대되면서 중국의 비중은 48.8%로 줄어들 것으로 전망되고 있다.

배터리 공급체계에도 변화가 예상되는데, 지금까지 글로벌 완성차업체들은 전기자동차 개발 초기부터 전기자동차 생산에 필요한 배터리를 배터리 전문업체로부터 공급받았으나, 장기적으로는 배터리 개발 및 생산을 내재화할 가능성이 크다. 이는 내연기관차의 엔진과 트랜스미션을 완성차업체가 자체적으로 개발하고 생산하듯이, 전기자동차 생산 초기 물량이 크지 않을 때는 배터리를 외주를 통해 조달하지만 점차 전기자동차 대량생산이 이루어지면 보다 안정적인 품질과 공급망 확보를 위해 합작 생산이나 자체 생산을 고려할 것이다.

이에 따라 장기적으로 배터리 전문생산업체들은 완성차업체들과 전략적 제휴를 통해 차세대 배터리 개발 및 원가인하 등의 생존방안을 모색하여야 할 것이다.

커지는 China Risk
문제는 배터리의 주요한 원료인 리튬, 코발트, 니켈 등 희귀 금속의 생산과 공급을 중국이 70% 이상 장악하고 있어 언제든지 이들 자원을 무기로 글로벌 전기자동차 원재료 공급망을 와해시킬 수 있다는 점이다. 중국이 희토류 공급을 중단한다든지, 희토류 가격을 급등시킨다든지, 아니면 자국산 전기자동차에 희토류를 차별적으로 공급할 경우 글로벌 전기자동차 생산과 경쟁력에 심각한 불균형을 유발할 가능성이 크다.

미국의 Virtual Capitalist에 의하면 2021년 리튬 가격은 496.7%, 코발트는 115.2%, 마그네슘은 207.6%, 니켈은 29.4% 상승하였으며, 그 결과 배터리 가격은 2021년 kWh당 132불에서 2022년에는 135불로 인상될 것으로 전망하고 있으며, Tme lag를 고려하면 중장기적으로 가격 추가 인상이 불가피해 보인다. 장기적으로 전기자동차 수요가 크게 증가할 2030년 이후가 문제다. 현재 리튬이온배터리는 비싼 코발트 함량을 줄이고 니켈 함량을 높이는 방향으로 이루어지고 있다. 그러나 니켈도 수요가 증가할수록 가격이 올라갈 수밖에 없어 장기적으로 안정적인 대체재가 될 수 없다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 배터리의 주요 원료인 2040년 리튬 수요는 42배, 니켈 19배, 코발트 21배, 흑연 25배가 증가할 것으로 전망되고 있다.

특히 글로벌 팬데믹의 지속과 미-중간 무역분쟁 및 기술패권 경쟁은 물론, 작년 호주와의 갈등 사례와 같이 중국이 교역상대국과 정치적 문제로 원료 공급을 중단할 경우 글로벌 전기자동차의 생산에 막대한 타격이 예상된다. 실제로 중국은 2020년말 수출통제법을 제정하고 작년 2월에는 희토류 관리조례를 제정하여 필요할 경우 핵심 원재료의 수출을 일방적으로 규제할 수 있는 법적 근거를 마련하였다. 코로나 발발 이후 예상치 못하게 발생한 와이어하니스 수급문제, 반도체 부족 등 일련의 글로벌 자동차 공급망의 문제로 자동차 생산이 크게 감소하고, 작년 하반기에는 중국의 요소수 수출중단으로 국내 디젤차 운행에까지 영향을 주었는데, 희토류는 그 이상의 엄청난 산업적 충격을 가져올 것으로 예상된다.

미래차 선점을 위한 우리기업과 정부의 대책
이러한 상황에서 미래차 시장의 선점을 위해 우리 기업들과 정부는 어떤 전략과 정책을 펴나가야 할까. 앞서 언급하였듯이 우리기업들은 무엇보다 경쟁력있는 차세대 배터리 조기개발과 상용화에 투자를 확대하고 배터리의 핵심원료인 희소금속 확보에 노력하여야 한다. 지난 8월 정부가 발표한 [희소금속 산업 발전대책 2.0]에서 국내 재고를 57일에서 100일로 늘리고 관련 100대 핵심기업을 육성하겠다는 정도로는 근본적인 대책이 될 수 없다. 그리고 현재 내연기관차에 의존하고 있는 수익구조를 전기자동차 위주로 전환할 경우에도 가능하도록 제품 포트폴리오를 어떻게 가져갈 것인지 고민하여야 한다. 또한 팬데믹과 정치적인 이유로 인한 글로벌 공급망 와해가 발생할 경우를 사전 대비하고, 탄소 발자국(Carbon Footprint)을 고려한 공급망 확보에 신경써야 한다.

물론 새로운 개념의 미래모빌리티 연구개발 투자 확대와 이를 위한 기술인력의 육성도 간과할 수 없으며, 1~3차 부품업체들의 미래차 사업전환과 구조조정도 완성차업체들이 리드해 나가야 한다. 특히 중국 기업들이 정부의 지원을 등에 업고 동남아, 아프리카, 중동, 남미 등지로의 진출을 확대하고 있는데 이를 긴밀히 모니터링하여 적기에 대응할 수 있어야 한다. 자칫 실기할 경우 신흥국 자동차 시장을 대부분 중국기업에 상실할 우려가 있기 때문이다.

정부 차원에서는 미래모빌리티 관련 규제를 강화하기보다는 기업들의 다양한 연구개발 능력을 촉진하기 위한 인센티브 정책을 추진하고, 부처간 단편적인 정책보다 정부내 콘트롤타워를 두어 종합적인 정책을 펼쳐야 한다. 지금까지 정부는 미래차 관련 정책을 마련함에 있어 단순한 목표치 나열 위주로 하였고, 보다 구체적인 정책대안이 부족했던 것이 사실이다.

또한 앞으로 내연기관차의 생산, 판매가 감소하면서 세수가 감소할 것으로 예상됨에 따라 정부의 보조금에 의존하고 있는 미래자동차에 대한 지원을 중장기적으로 어떻게 유지해 나갈 것인지 로드맵을 마련하여야 한다. 세계 각국이 보조금을 확대하고 있는 상황에서 우리정부가 재정적 지원을 줄인다면 기업들이 글로벌 경쟁력마저 상실할 것이다. 아울러 전기자동차 보급확대의 최대 걸림돌은 충전소 부족과 불편이므로 소비자 차원의 편의성을 획기적으로 개선할 방안을 마련하여야 한다. 또한 미래모빌리티 관련 탄탄한 생태계 육성을 위해 자율주행, 소프트웨어, MaaS, AV, Infotainment, Cybersecurity 등의 분야에 유니콘 기업들을 적극 육성하고 대기업들과의 연계하여 상생을 도모하여야 한다.

마지막으로 정부가 아무리 좋은 정책을 발표하더라도 정책의 영속성과 신뢰성이 부족할 경우 기업들의 지속경영이 어려워지므로 정권이 바뀌더라도 기업들이 안심하고 사업을 할 수 있도록 정책을 마련하여야 한다.​

 

글 / 김태년 (미래모빌리티연구소)

출처 / 오토저널 2022년 3월호   

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