배터리 다이제스트 종합판 1
배터리 산업의 과거와 역사를 기반으로 공부해 보자.
[ 글을 시작하기 전에 ]
엔진이 없는 순수 전기차의 미래
2020년 이전에는 구태여 전기차를 엔진이 있는 것과 엔진이 없는 것으로 구분할 필요가 없었지만, 이제는 전기차를 세분화여 살펴볼 필요가 있다.
전기차의 정류에 따라 미래 전망이 크게 달라질 수 있기 때문이다.
엔진이 있는 전기차인 HEV, 48V Mid HEV, PHEV는 내연기관 자동차에 부가 기능이 추가된 자동차이므로 내연기관 자동차보다 고급 자동차에 속한다.
그 반면에 엔진이 없는 전기차인 BEV는 엔진이 전기모터로 교체되었을 뿐, 추가 기능이 없다.
BEV는 태생적으로 내연기관 자동차와 가격 경쟁을 해야 하는 운명을 갖고 태어났다.
성능보다는 가격에 초점을 맞추어 개발을 해야 하는 전기차였지만 2010년대에 Tesla가 Model S, Model X와 같은 고가의 BEV를 출시하고, 한국의 전지 업체들이 NCM 전지의 용량 경쟁을 주도하면서 고급차로 잘못 인식되었던 것이다.
엔진이 있는 전기차는 내연기관 자동차보다 비싼 것이 당연하므로, 전지의 목표 가격이 BEV와는 다르다.
BEV는 배터리팩 기준으로 전지 가격이 $100/kWh 이하가 되어야 전기차 보조금 없이 내연기관 자동차와 경쟁할 수 있고, 경쟁 우위를 점하기 위해서는 $70/kWh가 되어야 한다.
그 반면에 HEV의 경우는 전지의 목표 가격이 $266/kWh로 BEV와 비교하여 상당히 높고 이 목표는 이미 2018년에 달성되었다.
엔진이 있는 전기차는 주력 전지가 이미 정해진 상태이다.
주력전지가 결정되었다는 것은 안정적인 성장을 의미한다.
HEV의 주력 전지는 일본 업체가 생산하는 고출력 니켈 수소 전지이며, 이 전지를 확보하지 못한 업체에서는 NCA(NCM) 전지를 사용한다.
리튬 이온 전지가 니켈 수소 전기와의 경쟁에서 어려움을 겪고 있는 대표적인 분야가 HEV이다.
저온 충전 성능에서는 리튬 이온 전지가 부족한 점이 많고 안전성 문제도 있다.
48V Mild HEV는 AGM납축전지가 주력 전지이다.
전해액 흡수력이 우수한 분리막을 사용하여 전해액 분리에 의한 성능 열화를 방지한 고성능 납축전지이다.
1859년에 개발된 납축전지가 지금도 이렇게 경쟁력을 유지하고 있다는 것은 놀라운 일이 아닐 수 없다.
환경오염에 민감한 서유럽 국가들은 대도시에서는 엔진으로 구동하는 자동차가 없어져야 한다는 생각을 갖고 있다.
이런 환경에 잘 맞는 전기차가 바로 PHEV이다. 도시에는 엔진을 끄고 BEV처럼 다니다가 도시를 빠져나가면 엔진이 켜지면서 HEV 모드로 주행하는 자동차를 좀 비싸도 사겠다는 것이 유럽인들의 생각이다.
유럽을 중심으로 성장하고 있는 PHEV는 가장 비싼 전기차가 될 것이다. EV 모드의 주행거리가 중요하므로 하이 니켈 NCM 전지가 주력 전지이다.
PHEV는 하이 니켈 NCM 전지 위주의 사업을 하고 있는 한국 전지 업체가 가장 신경을 써야 할 시장이다.
HEV와 PHEV는 안정적으로 성장하고 있다. 그 반면에 2010년대 한창 기대를 모았던 BEV는 혼란스러운 모습을 보이고 있다.
전지와 자동차 산업계는 2020년에 BEV의 전지 목표 가격인 $100/kWh를 쉽게 달성하면서 전기차 시대를 활짝 열 수 있다고 자신했다.
이에 근거하여 공격적인 투자도 이어졌다. 그러나 2020년이 되자 전지 가격은 목표에 너무 멀리 있었다.
배터리팩 기준으로 전지 가격이 $246/kWh 수준이었고, 전지 셀을 기준으로 해도 $186/kWh였다.
자동차 산업계는 실망했고 전지 산업계는 당황했다.
이미 전기차에 대한 이해도는 대중들에게 많이 전달된 상태이다.
하지만 보조금이나 규제로 제한하지 않으면 내연기관차가 자동적으로 전기차로 트랜지션이 되기에는 시간이 좀 더 걸릴 것으로 보인다.
그 핵심 중에 하나가 바로 배터리의 용량과 가격문제이다.
그럼 어떤 문제에 대해서 우리가 주목하고 관심을 가져야 하는지 알아보도록 하자.
Ⅰ. 전기차 시대는 언제 오게 될 것인가?
여기에서 전기차는 엔진이 없는 전기차인 BEV를 의미한다. 그래서 사람들의 관심이 BEV에 몰려 있다.
BEV의 미래에는 높은 장벽이 하나 있다. 바로 전지 가격이다. $100/kWh 목표를 달성하지 못하면 BEV는 시내 주행용 자동차로 위상이 떨어지게 될 것이며, 전기차 시대는 오지 않을 것이다.
2009년 BMW가 삼성 SDI와 BEV인 BMW i3용 전지를 개발할 때 BMW가 머리에 그렸던 BEV는 시내 주행용 전기차였다.
그래서 전지의 전하량도 60Ah로 작았다. BMW의 이런 생각은 그 이후 진출한 많은 자동차 업체에 의하여 변형되면서 BEV는 대륙 횡단용 자동차로 우뚝 섰다.
주행거리가 중요해지면서 용량 경쟁이 치열하게 벌어졌고, 그 과정에서 전기차 발화 사고도 수시로 일어났다.
BMW의 생각이 맞았는지는 2020년대 격동기를 겪은 후 2030년쯤 되면 판가름이 날 것이다.
Toyota를 비롯한 일본의 자동차 업체들은 리튬 이온 전지를 사용하면 BEV가 내연기관 자동차와 가격 경쟁을 할 수 없다고 생각했고, 이런 믿음은 아직도 변함이 없는 것 같다.
그들은 HEV 위주의 사업을 하고 있고 BEV가 필요한 미국 시장에 대응할 때에는 한국 전지 업체로부터 배터리를 확보하는 전략으로 움직이고 있다.
Panasonic의 주력 전지는 중대형 각형 전지이며, Panasonic은 이 분야에서 세계 최고 기술을 갖고 있다.
그럼에도 불구하고, 소형 원통형 전지 위주로 전기차용 전지 사업을 하고 있다. Panasonics은 리튬 이온 전지는 전지가 커지면 예상치 못한 문제가 발생할 수 있다고 생각한다.
2020년대 최대 관심사는 BEV가 HEV, PHEV처럼 안정적인 성장을 할 수 있느냐 하는 것이다.
전지 산업계는 $100/kWh 이하의 리튬 이온 전지를 만들 수 있는 구체적인 방안을 제시해야 한다.
사람들의 관심이 가격에 쏠려 있는 상황에서 성능을 목표로 잡아 홍보하는 것은 현명한 방법이 아닐 수 있다.
전자 산업계에서 정보와 지식의 독점으로 경쟁 우위를 점하던 시대는 끝나고, 창의력으로 경쟁하는 시대가 되었다.
창의력을 위하여는 무엇보다도 정보의 공유가 중요하다.
Ⅱ. 시장을 대하는 자세의 차이
리튬 이온 전지는 아직까지 한국, 일본, 중국의 동양 3국의 사업이다. 유럽은 아직 초보 단계로 경쟁 상대가 아니다.
동양의 세 나라 중에서 일본은 전기차용 전지에 소극적이다. 일본은 휴대 전자기기용 소형 전지와 전기차용 중대형 전지 업체가 분리되어 있다.
파나소닉을 비롯한 주요 전지 업체들은 전기차용 전지에 관심을 가졌다. GS Yuasa는 1990년 휴대 전자기기 시대에도 산업용 리튬 이온 전지 사업만 했던 업체이다.
사무실 건물 천장에 설치된 ESS인 에코파워가 GS Yuasa의 작품이다.
파나소닉도 테슬라에 전기차용 전지를 공급한다. 그러나 파나소닉이 세틀라에 소형 원통형 전지를 공급하는 것은 테슬라의 전기차 시장을 소형 전지 시장의 일부라고 생각하기 때문이다.
또한, 테슬라가 경영 위기에 처했던 파나소닉을 구해 주었기 때문에 이런 인연으로 계속 전지를 공급하고 있는지 모른다.
일본 전지 산업계의 무관심으로 전기차용 전지는 한국과 중국이 경쟁하는 사업이 되었다. 기술이 우수하고 경험도 많은 일본이 적극적으로 참여하지 않은 것은 국내 전지 업체 입장에서는 다행스러운 일이지만, 해결사 역할을 했던 일본의 역할이 아쉬울 때도 있다.
Ⅲ. 미국으로 흐르는 기술 흐름
전기차 점유율이 중국 63%, 미국 10%, 유럽 20%이고 한국은 2%에 불과하다.
중국과 미국이 BEV의 주력시장이고 유럽이 PHEV를 선호하는 형태의 시장 추세는 10년 전의 예측과 동일하다.
중국은 자동차 산업을 육성하려고 많은 노력을 했으나, 선진국과의 격차가 커서 고전한다.
이에 대한 대책으로 내연기관 자동차 대신 엔진이 없는 자동차인 BEV 산업을 키워 시장을 선점하겠다는 전략을 수립하고 2010년부터 정부 주도하에 전기차 산업을 육성했다.
BEV는 모터와 전지로 구성되어 있는 간단한 파워 트레인의 자동차이다. 놀이동산에 있는 범퍼카나 아이들이 타고 노는 장난감 자동차를 크게 만든 것이므로 고난도 기술이 없다.
중국의 BEV 시장 선점 전략은 순조롭게 진행되었다. 베이징을 가면 앞이 안 보일 정도로 대기 오염이 심하다. BEV는 대기 오염 문제도 완화해 주는 효과가 있다.
중국은 2010년대 중반무터 BEV의 최대 시장이었고, 2020년대에도 그 위치를 고수하게 될 것이다.
BEV의 핵심 부품인 2차 전지도 중국 전지 업체가 자체적으로 공급하고 있고, 한국 업체가 차지하고 있던 유럽 시장도 잠식하고 있다.
자동차는 부품 중심의 사업이다. 부품을 구매하는 업무를 담당하는 구매팀이 중요한 역할을 한다.
부품 개발 단계에서부터 구매팀이 관여한다. 부품 업체는 자동차 회사와 강하게 묶여 있다. 10여 명의 인력이 자동차 회사에 상주해야 하며, 해당 자동차 모델이 단종된 후에도 10년간 부품을 공급할 수 있는 체제를 갖추어야 하므로 사업을 그만두고 싶어도 함부로 그만둘 수 없다.
전기차에서 2차 전지는 부품이다. 그래서 개발 단계에서부터 부품 개발 프로세스를 따른다.
휴대 전자기기용 소형 전지와의 차이점은 자동차 회사가 구성 성분 확정 권한이 있다는 점이다.
전지 업체는 전지 소재의 종류는 물론이고 공급 업체까지 자동차 회사와 합의를 해야 하고, 변경할 때에는 다시 승인 프로세스를 거쳐야 한다.
자동차 회사의 부품 프로세스가 아니더라도 전기차용 전지는 부피가 크기 때문에 전기차를 만드는 공장에 가까이 있어야 한다.
미국 자동차 Big3에 공급할 전지를 한국에서 만들어 미국으로 운반한다는 것은 어려운 일이고 비용도 많이 든다.
그래서 전지 공장은 시장이 있는 나라에 건설해야 한다. 전지 소재도 마찬가지이다.
전기차용 전지에서는 사업의 성격상 전지와 전지 소재를 자동차 회사가 장악하게 되어 있다.
피라미드의 정점에는 전지 회사가 아니라 자동차 회사가 자리 잡게 된다.
기술은 흐르는 물과 같아, 결국 위에서 아래로 흐르게 되어 있다.
미국에 전지 공장을 건설하는 순간 미국으로 기술 이전은 시작된 것이다. 자동차 업체와의 합작사 설립은 점진적인 기술 이전임을 대부분의 사람들은 인식하고 있다.
동유럽 국가인 헝가리와 폴란드의 전지 공장에서 일하고 있는 사람들은 대부분 농부 출신이다.
돈을 모으면 고향으로 돌아가 농장을 사서 농사를 짓는 것을 목표로 모인 사람들이다.
반면에 미국 전지 공장에 있는 사람들은 기술자들이다. 평생 공장에서 일하기를 원하는 사람들이며, 기술 감각도 뛰어나다.
미국에 있는 한국 전지 공장과 전지 소재 공장에 있는 현지 기술자들을 통하여 조만간 국내 업체가 보유하고 있는 기술은 대부분 미국으로 넘어갈 것이고, 제조 강국임과 동시에 세계 최고 기술을 갖고 있는 미국은 한국으로부터 배운 기술을 더욱더 발전시켜 한국보다 우수한 기술로 전기차 전지에서 새로운 강국으로 등장할 것이다.
Ⅳ. 전기차용 전지 역사
도요타는 2006년 리튬 이온 전지 공장 착공식을 거행할 예정이었다. HEV에서 리튬 이온 전지 시대가 오면서 시장이 급속히 팽창할 것으로 기대를 모았다.
그러다가 도요타는 리튬 이온 전지 공장 건설 계획을 돌연 취소하고, 그 자리에 니켈 수소 전지 공장을 증설한다고 발표한다.
도요타는 이 발표로 HEV 시장의 열기는 싸늘하게 식었다. HEV에서 리튬 이온 전지가 안 된다면 계속 파나소닉과 산요의 니켈 수소 전지에 의존해야 하므로 시장 확대의 가능성은 기대할 수 없다고 생각한 것이다.
도요타의 결정으로 HEV 시대는 막을 내리게 된다. HEV시대 때 전기차라고 하면 HEV를 의미했다. BEV는 골프 카트 정도였기 때문에 HEV와 전기차는 동의어처럼 사용되었다.
왜 도요타는 2006년 리튬 이온 전지 공장 건설을 취소했을까?
도요타는 리튬 이온 전지의 완성도가 떨어진다고 생각했던 것이다. 저온 충전이 문제였다.
저온에서 충전을 하면 흑연 음극의 계면 저항이 증가하면서 리튬 원자가 흑연 결정 구조로 들어가지 못하고 표면에 석출 된다.
이렇게 되면 충전도 되지 않고 발화의 위험성도 있다.
HEV는 시동을 걸면 엔진이 가동되면서 발전기가 돌아가 전지에 충전을 한다. 그렇다면 추운 겨울에 시동을 걸 때마다 흑연 음극에 리튬 금속이 석출 되어 위험에 노출되게 된다.
저온 충전 문제는 전지 산업계? 에서는 잘 알려진 문제였지만 일반인들의 관심의 대상은 아니었다.
그러다나 2017년 필립모리스의 전자담배인 IQOS에서 저온 충전 문제가 불거지면서 일반에게 알려지게 된다.
필립모리스의 IQOS는 영하의 추운 날씨에도 물론이고 영상 9도의 날씨에는 충전이 되지 않는 문제가 발생하여 고객 불만이 많았다.
IQOS의 문제로 저온 충전이 리튬 이온 전지의 약점이라는 것이 알려지게 된다. 저온 충전 문제 때문에 HEV업체인 도요타는 아직도 리튬 이온 전지를 신뢰하지 않고, 니켈 수소 전지를 사용하고 있다.
침체기의 전기차 시장에 다시 활력을 불어넣은 업체가 있었다. 바로 GM과 LG화학이다.
GM과 LG화학은 2007년 PHEV용 리튬 이온 전지 공동 개발 계약을 체결하면서 꺼져가는 불씨를 다시 살렸다.
PHEV라는 새로운 전기차를 목표로 잡으면서 전기차는 HEV라는 등식도 깨트렸다.
[ 글을 마치며 ]
전기차 시대가 도래할 것이라는 기대감으로 인해서 배터리에 대한 관심도도 예전 그 어느 때보다 높아진 시대이다.
그 이유는 전기차 시대의 핵심 에너지 원은 배터리가 될 것이기 때문이다.
최근 10년간 전기차에 대한 수요와 관심은 폭발적으로 증가했지만 그 성장세가 차츰차츰 줄어들고 있는 모양새이다.
크게 3가지 이유로 전기차가 내연기관차의 대체재로서 성장하지 못하고 있다고 판단이 된다.
첫 번째는 전기차에 사용되는 배터리의 주행 거리의 능력 때문이다.
배터리의 용량이 크게 개선이 되었지만 아직 1회 풀 충전으로 500km 정도 수준의 주행이 가능한 것으로 나타나고 있다.
500km면 충분하다고 생각할 수 있지만 내연기관 자동차만큼이나 충전을 할 수 있는 스테이션이 부족하기 때문이다.
여기에 한 번 충전을 위해서 들여야 하는 시간이 최소 30분에서 사용량에 따라서 1시간가량의 충전 시간이 소요되기 때문에 전기차를 사용하는 입장에서는 배터리 충전에 걸리는 시간과 노력이 가장 큰 스트레스가 될 수밖에 없다.
두 번째는 배터리의 가격으로 인한 전기차 가격 경쟁력이 문제가 되고 있다.
내연기관차에 비해서 전기차는 유사한 차량 Spec에 대해서 약 1천만 원가량 비싼 것이 일반적이다.
이 이유는 주로 전기차 배터리의 가격으로 인해서 발생되게 되는데 주행거리가 늘어나는 고용량의 배터리 기술이 아직 대량 생산의 시기로 접어들지 못해서 가격이 높게 형성되어 있다.
이 책에서도 초반에 BEV 순수 전기차가 아직 사람들에게 환영받지 못하는 가장 큰 이유로 가격 경쟁력 때문이라고 말하고 있다.
이 때문에 최근에는 HEV 하이브리드 차량에 대한 수요가 다시 증가하고 있는 추세로 보인다.
물론 BEV로 넘어가는 과도기에 발생된 문제이기 때문에 시간이 지나면 가격에 대한 이슈는 금방 해결이 될 것으로 보인다.
시기가 언제가 될 것인지는 잘 모르지만 2027년이 되면 전기차 가격에 대한 발전이 이루어질 것으로 생각이 된다.
세 번째는 배터리의 안정성에 대한 문제점이다.
전기차 배터리는 발열에 따른 화재에 대한 안정성 이슈가 존재한다.
물론 배터리 자체가 열을 받아서 화재가 나는 경우는 극히 드문 현상으로 빈번하게 일어나는 이슈는 아니다.
하지만 배터리가 과열되게 될 경우 자동적으로 주행을 중단하거나 열을 식혀야 하는 과정을 거쳐야 한다.
반대로 너무 추운 나라에서는 배터리의 용량에 따른 성능 차이가 존재하기 때문에 비정상적인 연비 효율이 나타나게 될 수도 있다.
이런 문제점까지 모두 극복할 만한 전기차를 만들기 위해서는 꿈의 배터리라고 불리는 전고체 배터리를 완성해야 한다.
전고체 배터리에 대한 관심도도 높아져 있는 상태로 한국, 미국, 일본, 유럽 모두 개발에 박차를 하고 있는 상황이다.
선두 주자로 나서고 있는 국가는 일본이지만 아직 그 격차나 기술적인 장벽이 완벽하게 탄생되어진 상황은 아니다.
위의 세 가지를 종합해 보면 전기차가 내연기관차를 대체하기 위해서는 기술적인 발전이 필요하고 이에 따른 시간도 몇 년이 소모될 것으로 보인다.
이를 토대로 생각해 보면 전기차의 본격적인 시대가 도래하기까지는 아직 3년 이상의 시간이 남아있지 않았나 생각해 본다.
하지만 이미 테슬라를 필두로 한 중국의 BYD, NIO, 현대, 폭스바겐, 아우디, BMW, 벤츠 등의 순수 전기차들이 심심치 않게 눈에 띄고 있다.
분명 예상되는 시간보다 전기차의 시대는 좀 더 빨라질 수도 있고 기술발전의 성공도 예상보다 빠른 시간에 마주하게 될 수 있을 것이라는 생각이 든다.
참고 도서 : 배터리 다이제스트 종합판 1 ( 선우 준 )
