전기차용으로 LFP와 전고체 배터리 부상
전기자동차 배터리 기술경쟁에서 승리해야 앞으로 탈탄소 시대의 경제 패권을 거머쥘 것이라는 전망이 나오면서 각국은 안전성과 친환경 효율을 갖춘 배터리 개발에 총력전을 펴고 있다. 이런 거대한 변화는 배터리 시장의 전통적 강자였던 우리나라 입지를 흔들어놓고 있다.
전기차 배터리는 대부분 충전 후 재사용이 가능한 2차전지인 '리튬이온전지'로 만든다. 리튬이온전지는 크게 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 총 4개의 요소로 구성돼 있다. 음극과 양극을 도선으로 연결하면 리튬이온이 전해질을 타고 음극의 전자를 양극으로 옮기면서 '방전'이 일어난다. 반대로 전압을 가하면 양극의 전자가 음극으로 옮겨가면서 '충전'이 일어난다. 분리막은 양극과 음극을 분리해 합선으로 인한 화재를 막고 리튬이온만을 통과시키는 역할을 한다.
전기차 배터리는 리튬과 함께 양극을 구성하는 '양극 활물질'에 따라 분류된다. 대표적인 양극 활물질로 배터리 용량을 늘려주는 니켈(Ni), 배터리 안정성을 결정짓는 망간(Mn)과 코발트(Co), 배터리 출력을 끌어올리는 알루미늄(Al) 등이 있다. 이들 양극 활물질을 어떤 비율로 리튬 양극과 배합하느냐에 따라 니켈망간코발트(NMC) 배터리, 니켈코발트알루미늄(NCA) 배터리, 리튬인산철(LFP) 배터리로 나뉜다.
그간 삼성SDI와 LG에너지솔루션 등 국내업계는 NMC나 NCA와 같은 '삼원계 배터리'에 집중해 왔다. LFP 배터리는 가격이 싸고 화재 위험이 적지만 제조시 습도관리가 어렵고, 겨울철 저온 환경에서 에너지 효율이 떨어지는 단점이 있기 때문이다. LFP는 상대적으로 무겁고 에너지 밀도와 순간출력이 약해 배터리 성능의 핵심이라고 할 수 있는 부분에서 삼원계 배터리에 밀린다.
하지만 시장 반응은 달랐다. 전기차 수요를 저해하는 가장 큰 이유는 다름아닌 '가격'이다. 전기차 배터리는 전기차 가격의 40%나 차지한다. 에너지 전문 컨설팅기업 우드맥킨지는 10년 내 LFP의 시장점유율이 30%를 돌파하면서 NMC를 제칠 것이고, 결국 LFP가 시장을 지배하는 배터리 유형으로 자리매김할 것으로 내다봤다.
최근 애플카, 테슬라, 제너럴모터스(GM)는 물론 얼마전 LG화학을 추월해 배터리 1위를 차지한 CATL 역시 공급과 가격이 불안정한 니켈과 코발트를 내려놓고 LFP 개발에 집중하고 있다.
국내 업계는 전기차 배터리 시장에서 지속적인 하락세를 보이고 있다. 특히 리튬이온전지의 안전성을 담보하는 '분리막' 특허를 놓고 LG에너지솔루션과 SK이노베이션은 10년 넘게 법정 공방을 벌이고 있다. LFP로 리튬이온전지의 안전성 문제가 불식되는 상황에서 시장 수명이 끝나가는 기술을 두고 두 회사가 소모적인 싸움을 벌이는 바람에 결국 중국에게 전기차 배터리 왕좌를 뺏기고 말았다. 반면 중국은 유럽 자동차 제조사와 전기차 배터리 합작법인을 줄기차게 만들면서 야금야금 전기차 시장을 파고들고 있다.
최근 이같은 상황을 타개하기 위해 국내업체들은 LFP를 건너뛰고 '전고체 배터리'에 집중하고 있다. '전고체 배터리'는 불안정한 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 전지다. 고체 전해질이 분리막 역할까지 수행하면서 부피를 줄일 수 있고, 안정성을 위한 부품 대신 활물질을 더 채워넣어 에너지 밀도를 높일 수도 있어 기존 리튬이온전지의 단점을 극복한 '꿈의 배터리'로도 불린다. 전고체 배터리는 조만간 더 많은 전력사용량을 필요로 할 자율주행차가 상용화되면서 수요가 급증할 전망이다. 삼성SDI는 검증기간을 거쳐 오는 2027년, LG에너지솔루션은 오는 2038~2030년까지 전고체 배터리를 상용화할 계획이다.
다만 전고체 배터리는 고체 내에서 리튬이온의 이동속도를 늘리는 등 극복해야 할 기술 과제가 산적해 있어 본격적으로 시장이 형성되려면 2030년 이후는 되어야 할 것으로 전문가들은 전망했다. 또 전기차 배터리 주도권을 탈환하기 위해 야심차게 준비중인 일본 역시 변수다. 도요타는 2008년 전고체 배터리 연구소를 출범시켰을 정도로 가장 앞서 있으며, 도요타를 비롯해 여러 일본 기업이 세계 최초 전고체 배터리 양산을 목표로 하고 있어 앞으로도 국내 기업의 난항이 예상된다.
Copyright @ NEWSTREE All rights reserved.
