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by 김민형 CFA Sep 03. 2022

[배터리 3편] 전기차 배터리의 기술 방향성

전기차 배터리 LFP 인가 NCM인가? 어떤 배터리가 미래를 선도할까?

안녕하세요 :)

모빌리티 산업과 비즈니스 그리고 관련 기업의 다양한 이야기를 하고 있는 김민형입니다. 벌써 배터리 3편을 입니다. 지금까지 1편과 2편에서는 배터리 중심으로 기술하려 했지만, 일부 내용 중에 어쩔 수 없이 전기차 배터리가 내용이 들어간 것 같습니다. 이점 양해 부탁드리며 드립니다. 지난 1편에서 배터리의 미래를 소개하며 향후 발전하게 될 소재와 제조 기술에 대해 간략하게 살펴보았습니다. 이번 글에서는 현재 전기차 배터리의 양극재에 방향에 대해 경쟁하고 있는 두 활성물질에 대해 비교해 보려고 합니다. 이 논쟁은 작년 테슬라가 LFP 배터리를 채용하면서 크게 커진 것 같습니다. 그럼 지금부터 NCM vs LFP에 대해 이야기해 보려고 합니다.

배터리 시리즈는 총 5편의 기획하고 있습니다. 다른 배터리 이야기는 아래 목차를 참고하셔서 읽어 주시면 감사하겠습니다.

[배터리 1편] 기초 용어 정리 및 배터리 소재와 미래

[배터리 2편] 배터리 밸류체인과 시장

[배터리 3편] 전기차 배터리의 기술 방향성 : NCM vs LFP

[배터리 4편] 전기차 배터리 밸류체인과 미래

[배터리 5편] 전기차 배터리 산업의 주요 기업 성장전략

이번 글을 목차는 다음과 같습니다.

1. 기초 용어 정리

2. 배터리 양극재 기술 로드맵

3. NCM vs LFP

4. 자동차와 NCM, LFP 배터리의 미래

1. 기초 용어 정리

이 글을 읽기 전에 꼭 이해를 해야 할 용어들이 있어서 먼저 정리하고자 합니다. 이미 기초 용어에 대해 1편에서 다루었고 이번 내용은 그 내용은 연장선에 있는 부분입니다.

1) 배터리 용량

▷ 배터리 용량 : 배터리가 얼마나 많은 전하를 저장. 방출할 수 있는가를 의미합니다. 즉 전기 화학반응을 통해 가역적으로 저장할 수 있는 전하의 량의 의미

▷단위 : mAh 가 사용

2) 배터리 에너지의 양

▷ 배터리 용량(mAh)에 실제 작동 시 전압(V)을 곱하여 에너지로 양을 표시합니다. 이때 작동 시 전압과, 충전 시 전압에 따라 각각을 에너지 양, 소비 전력이라 한다.

1) 스마트폰 배터리의 용량이 2,600mAh이고 작동 시 전압이 3.8V라고 한다면 에너지의 양은 2.6 x 3.8 = 9.88Wh 가 된다.

2) 반대로 소비 전략 계산하면, 충전 시 전압이 4.35V 라며 2.6 x 4.35 = 11.31Wh 가 된다. 소비 전략을 알고 있다면 kWh 당 요금으로 충전 비용을 산출 가능하다.

▷ 예) 스마트폰 충전 비용

11.31Wh 회 x 2회/일 x 365일 = 8.26 kWh

kWh 당 200원으로 계산하면 1년 배터리 충전 비용은 1,650원으로 계산 가능

▷ 단위 : Wh 사용

3) 에너지 밀도

▷ 이차 전지에서 에너지 밀도를 계산할 때 에는 에너지양/g 혹은 에너지양/l 로 표시합니다. 즉 단위 (크기) 당 에너지 량을 표현한 것을 말합니다. 같은 무게 기준으로 얼마나 많은 예너지 양 포함하는 지를 말합니다.

예를 들어 철을 1g을 사용한 에너지 밀도와, 니켈 1g을 사용한 에너지 밀도를 각 1wh/g vs 5Wh/g로 표시할 수 있습니다. 이때 철 g 당 비용이 1원이고 니켈 g 당 비용 4원이라면

두 광석 사이 에너지 밀도가 5배 차이가 나지만, 비용을 고려하면 1.25배 차이가 납니다.

▷ 단위: Wh/g , Wh/l

2. 배터리 양극재 기술 로드맵

배터리 기술 로드맵의 기본 방향은 에너지 밀도를 높이고, 원가를 절감할 수 있는 방향으로 기술이 발전하고 있습니다. 배터리 양극재 기술로드맵으로 확인할 수 있듯이 2025년까지 니켈 함량을 높여 에너지 밀도를 높이면서도 코발트의 함량을 낮춰 원가를 절감시킬 수 있는 NCM 계열 배터리 개선이 추진 중입니다. 이러한 개발 방향은 결국 대량 생산을 통해 경제적 이익을 가져가기 위해서 무엇보다 에너지 밀도를 유지하면서도 가격을 낮추는 것이 중요하기 때문입니다. 아래 표는 주요 양극재 소재의 가격 변동 폭을 나타낸 것입니다.

위 표에서도 알 수 있듯이 양극재 주요 메탈 소재 가격 추이를 보면 주요 소재가 전체적으로 가격이 급등하고 있는 것으로 보입니다. 더욱이 리튬과 코발트는 다른 소재에 비해 더 높은 상승을 하고 있습니다. 이러한 추이는 EV 수요 증가에 따라 쉽게 낮아질 것으로 보이지는 않습니다. 이를 고려했기 때문이 니켈 함량을 높이고 코발트 비중을 낮춤으로써 지금 보다는 낮은 가격의 배터리를 만들려고 하고 있습니다. 최근에 개발된 NCM811 혹은 NCMA 모두 에너지 밀도는 유지하면서도 배터리 가격 낮추기 위한 모습입니다.

실제 이러한 모습은 기술 개발 로드맵에도 이미 나타나고 있습니다. 아래 그림을 통해 확인할 수 있듯이, 하이 니켈(HN : High-Nickel) 제품일수록 에너지 밀도는 높아집니다. 즉 니켈을 높이는 제품에 대한 기술 방향을 잡고 있습니다.

또 다른 기술 로드맵인 아래 그림에서 보듯이 양극제는 Nickel 함량을 90% 이상 높이는 형태로 기술을 발전시키고 있습니다.

아래 그림은 SVOLT 에너지 테크놀로지의 양극재 로드맵을 표시한 내용입니다. 다른 타사와 유사하게 삼원계 양극재에 대한 기술 로드맵이 주를 이루는 것으로 볼 수 있습니다.

3. NCM vs LFP

21년 하반기 테슬라가 발표한 모델 3(ST+) 차량에 LFP 배터리 채용은 배터리 기술 개발에 대한 흐름을 바뀐 사건이었습니다. 높은 에너지 밀도와 효율성을 중시 그리고 가격을 낮추기 위한 기술 개발에서 LFP는 다소 소외되었던 분야였습니다. 하지만 테슬라에서 LFP 배터리를 사용하겠다는 것은 앞으로의 배터리는 NCM 인가 LFP 인가의 논쟁을 일으켰습니다.

NCM Vs LFP는 삼원계(사원계) 배터리 vs LFP로 말할 수 있습니다. 리튬이온 배터리의 양극재를 니켈, 코발트, 망가니즈, 알루미늄 등 3~4개의 비철금속으로 구성한 경우 삼원계 혹은 사원계 배터리가 됩니다. 이렇듯 삼원계, 사원계 배터리가 리튬코발트산화물(LCO) 양극재를 기본으로 한다면, LFP 배터리는 코발트 대신 인산철을 넣어 LFPO(LiFePO4)로 양극재를 구성합니다.

많은 곳에서 NCM과 LFP 비교한 내용이 있기 때문에 이 부부는 아래 표로 간략하게 살펴보고 넘어가고, 두 배터리 재원 비교에 따른 차량을 비교해 보고자 합니다.

LFP 배터리는 인산철이 포함된 배터리로 가격과 안전성에서 좋은 성능을 가지며 반면에 NCM 배터리는 에너지 밀도(주행거리) 좋고, 단위당 무게가 가볍습니다.

즉 동일한 에너지 밀도를 기준으로 NCM(or NCA) 배터리가 LFP 배터리에 비해 가볍기 때문에 차량의 경량화로 인해 다양한 효과를 가집니다. 즉 주행거리, 가속력 등등 주행에서 좋은 성능을 가질 수 있습니다.

아래 내용은 전자신문 언급된 내용을 가져와 자세히 살펴보면 봅니다.(출처 : 전자신문 21년 12월 1일)

21년 12월 1일 전자신문이 전기차 정보매체 'EV-DATABASE' 자료를 토대로 LFP·NCA 배터리를 각각 장착한 테슬라 '모델 3 ST+'를 분석했습니다.

LFP 배터리를 채택한 모델 3은 공차중량이 1825㎏인 반면에 NCA 배터리를 단 모델 3은 1700㎏입니다. 두 차량 간 중량 차이는 성인 남성 두 명 체중과 비슷한 125㎏이다. 두 차량의 1회 충전 후 주행거리는 LFP를 장착한 트림은 440㎞(WLTP 기준), NCA는 448㎞로 큰 차이 없었습니다. 동일한 에너지양을 가지지만, 무게가 서로 다른 차량의 주행거리가 같다는 것도 다소 의아하긴 하지만, 125 kg의 정도는 실제 주행거리에 영향을 주지 않는 것인지는 확인해 볼 필요가 있지 않을까 합니다.

모델 3에 NCA·NCM 배터리를 탑재하면 배터리 용량을 최대 76㎾h(LR 트림 기준)까지 채울 수 있지만, LFP 배터리의 경우 55㎾h가 최대치입니다. LFP 배터리팩 에너지 밀도가 40%가량 낮기 때문입니다. LFP는 배터리셀이 차지하는 부피가 NCA·NCM 배터리보다 더 크고 무거워 장거리형(LR)보다는 표준형(ST) 트림에 적합할 수밖에 없습니다.

테슬라나 CATL 등이 셀투팩(CTP), 셀투씨(CTC)와 같은 방식으로 한정된 공간에 더 많은 배터리를 탑재할 방침으로 향후 배터리팩 에너지 밀도가 10%가량 높아질 것으로 예상됩니다. 반면에 배터리 가격에서는 LFP 배터리가 NCA·NCM 배터리에 비해 30%가량 저렴합니다. 배터리 열화 정도가 낮아 배터리 안전마진 최소화로 가용 용량 설계에 유리합니다.

CTAL 등 업체 중심으로 소재기술 고도화를 통해 ㎏당 140~160Wh 수준인 LFP 배터리 에너지 밀도를 180Wh 이상으로 높이고 있으며, 앞으로 2~3년 이후 표준형 차량뿐 아니라 장거리형 전기차에도 LFP 배터리가 활용될 것으로 예상됩니다.

[표] 테슬라 모델 3(스탠더드 플러스) LFP·NCA 배터리 재원 비교

출처 : 자료:EV-DATABASE

여기서 살펴봐야 할 점은 서로 다른 배터리를 사용하는 두 차량의 가격은 같음을 볼 수 있습니다. LFP 배터리가 저렴하다면, 차량 가격은 서로 달라야 할 것 같은데요. 실제 위 표에서 확인할 수 있듯이 두 사양의 배터리의 가격은 동일합니다.

이를 위에서 언급한 내용을 통해 설명해 보면 LFP를 사용한 차량의 경우 NCM(NCA)와 동일 에너지 양을 갖추기 위해 더 많은 인산철 배터리를 사용하였고, 이로 인해 차량 중량이 증가한 것으로 생각할 수 있습니다. 다만 동일한 에너지 양에서 무거운 차량의 주행거리가 더 짧을 것으로 생각이 되는데요. 표에서 나온 주행거리의 차이는 크지 않기는 합니다. 아마 이를 고려했기에 에너지 용량이 조금 더 많은 것이 아닌가 합니다. 혹은 실제 주행에서 차이가 날 수도 있지 않을까 합니다. 이러한 두 차량이 있다면 과연 소비자는 어떠한 차량을 선택할지 ^^ 그 결과가 궁금하기는 합니다.

4. 자동차와 NCM, LFP 배터리의 미래

1) 자동차 이용의 다양성 확대에 따른 배터리 보급

자동차의 차종과 차량 이용의 다양성이 높아지는 만큼 이에 따른 적합한 배터리 매칭이 중요해지는 미래가 올 것으로 생각됩니다. 예를 들어 통학/출퇴근 용으로 사용하는 전기차의 경우 경제성이 뒷받침되어야 합니다. 이에 NCA(NCM)과 같은 고성능 배터리가 필요하기보다는 저렴한 LFP 배터리가 더 자동차의 이용 목적에 더 부합할 것으로 생각됩니다.

앞에서 언급한 테슬라 모델 3 (ST+)의 경우 각각 다른 배터리 채택에 따른 차량의 사양이 차이가 납니다. 자동차의 주행성능(가속, 감소) 보다 경제성을 더 중요하게 생각하는 사용자라면, LFP 차량을 이용하는 것이 더 합리적일 수 있습니다.

실제 LFP 배터리를 채용하는 기업은 테슬라 이외 GM, VW 그룹과 포드 이나 일부 차종 및 저가형 차종에 주로 도입되는 것을 볼 수 있습니다. 앞으로의 자동차 배터리는 다양한 전략의 이유로 여러 형태의 도입될 것으로 예상됩니다.

2) LFP 배터리 특허 만료에 따른 LFP 배터리 확대

LFP 특허의 지역별 만료에 시점에 따라 LFP를 배터리를 사용하는 차량의 증가할 것으로 보입니다. LFP 배터리 생산량에서도 나타나듯이 95%가 중국에서 생산된다. 중국 외 국가에서 LFP 배터리에 적극적이지 않았던 이유는 NCM 배터리에 비해 에너지 밀도의 개선 속도가 어렵다는 점, 그리고 특허 때문입니다. 중국 내에서 LFP를 생산하고 중국에 판매할 경우 특허료를 지불하지 않아도 됩니다. 즉 중국에서 LFP 배터리의 양극재를 생산하는 기업은 특허 비용을 고민할 필요 없이 생산이 가능합니다. 다만 수출인 경우는 특허료를 지불해야 한다. 예를 들어 중국에서 생산된 LFP배터리를 현대자동차에 사용하기 위해 수출을 할 경우 특허료를 지불해야 하며, 이는 곧 배터리 가격 상승시키며 이는 LFP 배터리의 가격 장점을 약화시키게 된다. 다만 지역별 특허가 만료되는 시점에 따라 지역별 LFP 배터리 사용되는 차량은 점차 늦어 날 것으로 보입니다.

3) 국내 LFP 배터리 개발 확산

최근 국내 전기차 배터리 시장의 핵심 키워드로 "원통형"과 인산철 LFP가 떠오르고 있습니다. 원자재 가격의 급격한 상승과, 중극의 저가형 배터리 공세에 국내 배터리 업계의 글로벌 시장 점유율이 낮아짐에 따라 이를 극복하고자 국내 주요 배터리 제조 기업이 소재 다각화에 따른 움직임으로 생각됩니다. 또한 테슬라의 4680 배터리가 시장의 판도를 바꿀 것으로 예상됨에 따라 원통형에 비중이 다시 늘 것으로 보입니다.

4) NCM 배터리 확대의 전체 방향은 바뀌지 않는다.

에너지 밀도가 높은 NCM 배터리의 사용 확대의 방향은 바뀌지 않을 것으로 보인다. 지속적은 소재의 개선이 이루어지고 있으면, 안정성과 가격을 충족한 제품 개발은 계속 진행되고 있습니다.

지금까지 전기차 배터리 개발 방향성에 대해 살펴보았습니다. 높은 에너지 밀도가 장점을 가진 삼원계 배터리의 지속적인 개발과, 가격의 중요성이 높아지면서 LFP 배터리의 확대는 결국 성능, 가격, 안정성 모두를 만족시키는 형태로 배터리가 발전해 오고 있습니다. 특히 가격적인 면에서 향후 매년 2,000여 만대 자동차 생산을 고려할 경우, 한 종류의 소재 사용은 배터리 가격 상승을 기인할 것으로 원활한 배터리 원자재 수급이 가능하려면, 다양한 소재를 사용한 배터리의 개발이 예상합니다. 향후에 이 세 가지(가격, 성능, 안전성) 모두를 충족시킬 수 있는 배터리가 빨리 개발되기를 희망하며 오늘은 여기까지 작성합니다. 읽어주셔서 감사드리고, 잊지 마시고 “좋아요” 혹은 “추천” 그리고 브런치 "구독" 부탁드립니다.

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