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by 김민형 CFA Sep 18. 2022

[배터리 4편] 전기차 배터리 밸류체인과 미래

전기차 배터리의 밸류체인에 대해 알아보자

안녕하세요 :)

모빌리티 산업과 비즈니스 그리고 관련 기업의 다양한 이야기를 하고 있는 김민형입니다. 지금까지 총 3편에 걸쳐 배터리 기초 및 배터리 미래, 배터리 밸류 체인과, 전기차 배터리 기술의 방향성까지 배터리에 대한 전반적인 내용에 대해 살펴보았습니다. 이번 편은 전기차 배터리 전체 밸류 체인과 밸류체인의 미래에 대해 이야기하고자 합니다. 전기차 배터리를 별도 밸류체인으로 보는 이유는 전기차 배터리 하나가 가지는 경제적 가치 때문 입니다. 배터리를 기반으로 하는 다양한 부가가치는 밸류체인을 확장 시키고 순환 구조를 만듭니다.

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 편에서는 자동차 배터리 밸류체인 중 셀 제조 Type과 폐배터리 산업에 대한 주로 다루려고 합니다. 이는 전기차 밸류체인의 끝에 속한 폐 배터리 활용이 향후 배터리 밸류체인에서 중요한 영역이기 때문입니다. 그리고 1~3편을 통해 대략적 전기차 배터리 벨류체인에 대해 언급하였지만, 폐 배터리에 대한 부분은 부족함이 있기도 해서입니다. 이번 글의 목차는 다음과 같습니다.

1. 전기차 배터리의 밸류체인 예

2. 모네가 생각하는 전기차 배터리 밸류체인

3. 각 OEM 사의 배터리 셀 공급 현황 및 Cell Type

4. 폐배터리 활용

5. 전기차 배터리 밸류체인의 미래

1. 전기차 배터리 밸류체인 예

이전 배터리 편에서 배터리 밸류체인, 그리고 간략하게 전기차 배터리 밸류체인에 대해 언급하였는데요 이번 글에서는 이를 좀 더 확장하여 살펴보고자 합니다. 밸류체인은 분석하는 리포트마다 조금씩 차이가 있습니다. 이는 배터리를 어떻게 보는지에 따른 구분으로 보입니다. 그 중 몇 가지 예를 가져와 살펴봅니다.

1) 구성요소 생산 > 배터리 셀 제조 > 배터리 모듈 제조 > 배터리 팩 제조 > 자동차 통합 > 배터리 사용 > 재활용

전기차 배터리를 이루는 주요 구성요소와 이를 만드는 과정 및 차량과 통합, 이후 사용과 재활용으로 구분합니다. 배터리를 제조함에 다양한 단계 가지며 이를 집중한 분류로 보여 집니다. 간 단계를 간략하게 살펴보면 다음과 같습니다.

① 배터리 원재로 : 양극, 음극 활성 물질과 전해질, 분리막 재료를 이야기합니다.

② 셀 생산 : 하나의 셀을 생산, 조립을 말합니다.

③ 모듈 생산 : 전기 관리 등을 포함한 셀을 더 큰 모듈을 만들기 위한 구성

④ 팩 제조 : 전략, 충전, 온도 등을 관리하는 시스템과 함께 모듈을 설치

⑤ 자동차 통합 : 배터리 차량 인터페이스을 포함하는 차량 구조에 배터리를 통합하는 것

⑥ 배터리 사용 : 차량 생애주기 동안의 배터리를 사용 이야기합니다.

⑦ 배터리 재사용, 재활용 : 폐차 혹은 정비 시 발생하는 폐배터리에 대한 활용을 말합니다.

2) 광산. 재련 업 > 2차 전지 소재 > 2차 전지 > 전기차 > 폐배터리 재사용

대신 증권 자료에 따르면 전기차 밸류체인 도식도를 참고하면 가장 후방 산업인 광산 · 제련업부터 → 양극재, 음극재 등을 만드는 2차 전지 소재 산업 → 소재를 활용해 리튬이온 전지를 만드는 2차 전지 산업 → 2차 전지를 활용해 완성차를 만드는 전기차 제조업 → 수명이 끝난 2차 전지에서 니켈, 코발트, 리튬 등 희귀 금속을 추출하는 폐배터리 재활용 산업 등으로 구분하고 있습니다.

이 밸류체인은 전기차 밸류체인으로 구분하였지만, 배터리 재활용 관점에서 보면 전기차 배터리 밸류체인으로 보는 것이 더 적합하지 않을까 합니다. 전기차 밸류체인 관점이라면 배터리 뿐만 아니라 중요한 부품은 모터와 감속기와 같은 부분도 언급이 되어야 합니다.

3) 원재료 채굴 > 활성물질 제조 > 배터리 셀 제조 > 배터리 팩 제조 > 탑재 > 통합 > 재활용

스웨덴 배터리 에코 시스템 및 밸류체인별 기업을 참고하여 전기차 배터리 밸류체인 볼 수 있습니다. 탑재와 통합 과정이 구분되어 있지만 결국은 한 단계로 봐도 무방할 듯 합니다.

2. 모네가 생각하는 전기차 배터리 밸류체인

앞에서 본 봐와 같이 다양한 전기차 배터리 밸류체인이 존재하며 크게는 차이가 나지는 않습니다. 다만 개인적으로 전기차 배터리 밸류체인에서 중요한 한 영역을 배터리를 활용한 서비스라고 봅니다. 자동차에 장착된 배터리 이긴 하나, 차량 가격의 상당 부분을 차지하는 부품으로 별도 관리 및 분리된 형태로 서비스가 개발 중이며 향후에 이 영역이 확대될 것으로 보입니다. 더욱 폐배터리 활용에 필요한 진단 서비스, 잔존가치 평가 서비스 들은 배터리 밸류체인에 있어서 꼭 필요할 서비스들로 여겨집니다.

전기차 배터리 밸류체인 - 작가 분석

※ 각 밸류체인 단계별 주요 정의 및 내용

원자재 및 2차 전지 소재에 대한 내용은 이전 편에서 많이 언급하여 다른 단계에 대해 간략하게 설명하고자 합니다.

1) 셀 제조

셀은 배터리의 기본 단위로 성능, 효율 등을 결정짓는 핵심 요소입니다. 전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위로, 양극, 음극, 분리막, 전해액을 각형, 혹은 원통형, 파우치형 케이스에 넣어 만듭니다. 각 형태에 따른 장단점은 아래에서 자세히 다룹니다.

2) 배터리 제조

배터리 모듈과 팩 제조는 과거 SK 온, LG엔솔, 삼성 SDI 모두 협력사를 통한 위탁 생산으로 많이 이루어졌으나, 셀> 모듈 > 팩 의 제조 역량강화 차원에서 SK 온, LG엔솔, 삼성 SDI 은 모듈, 팩 재조를 내재화를 통해 수익성과 안전성 확대하고 있습니다.

① 배터리 모듈

배터리 셀(Cell)을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체 (Assembly)가 모듈입니다. 보통 12개 셀 내외를 묶어 사용합니다.

② 배터리 팩

전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태 배터리 모듈에 BMS(Battery Management System), 냉각시스템들 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성함

(ex) BMW i3의 배터리 팩은 8개 모듈(모듈당 12개 셀)이 들어갑니다.

삼성 SDI 전기차용 배터리 셀, 모듈, 팩 이미지.(사진=삼성 SDI)

3) 전기차 배터리 고객

전기차의 종류는 크게 HEV, PHEV, BEV로 구분합니다. 각 항목에 대해 살펴보면

① HEV : 하이브리드 차량

90%는 내연기관 차량 (ICE)로 보면 된다. 전기 충전은 하지 않으며, 정지에서 초기 액셀을 밟은 구간에서 전기모터가 구동하여 연비를 줄여준다. 연비는 내연기관보다 1.5~2배 정도 효율이 좋지만, 배기가스에는 별 차이는 없다

② PHEV : 플러그 인 하이브리드 차량

80% 내연기관이라 보면 된다. 가솔린/디젤 탱크와 배터리 탱크 2개가 공존하는 모델로 가솔린/디젤만 넣고 다녀도 되고, 플러그도 꽂아 배터리를 충전시켜 소량은 순수 전기차처럼도 쓸 수 있게 한 방식이다. 이 차량은 목적은 어디까지나 유럽 환경규제에 대응용이라 할 수 있다. 즉 완성차 업체 입장에서 순수 전기차 확대 시기 전에 규제에 대해 임시방편 모델로 사용된다.

③ BEV 또는 EV : 100% 순수 전기차.

내연기관이 존재하지 않고 오로지 배터리와 구동모터만으로 구동력 전달하며 황산화물, 질소산화물 등 배기가스가 0g/Km인 궁극의 친환경 자동차

위 내용을 통해 살펴볼 수 있는 완성차 업체의 향후 전략으로 보면
1) 테슬라, 현대기아, GM, 폭스바겐, 닛산의 경우 BEV 확대에 올인 전략을 펼치고 있으며,
2) BMW, 벤츠, 도요타의 경우 PHEV로 일단 규제 맞추고 서서히 BEV 늘리는 전략 취하고 있습니다.

이러한 전략 이면에는 원가 절감의 이유가 존재 합니다.
테슬라, 현대기아, 폭스바겐의 경우 어느 정도 규모의 경제가 갖춰져 있기 때문에 EV 전환이 가능합니다. 즉 전용 플랫폼을 통해 규모의 경제를 달성하기까지 ICE 차량을 통해 시간적 여유를 가질 수 있다.
하지만, BMW, 벤츠 등은 전용 플랫폼을 통해 한번에 경제 규모를 달성하기 어렵고, 이는 현대. 기아, 테슬라, 폭스바겐과의 가격 경쟁력에서 이길 수가 없음을 이야기 합니다.

4) 배터리 서비스

배터리가 자동차에 장착된 이후 그리고 폐기, 재 활용 전까지에 전기차 배터리를 활용한 모든 관련 서비스를 이야기합니다. 현재 전기차 배터리는 전기차의 하나의 부품으로 간주되고 있으나, 경제적 가치가 높은 배터리는 향후 차량을 이용 전, 후 그리고 폐 배터리 전 다양한 서비스가 나올 것으로 보입니다. 대표적으로 개발 중인 서비스로 배터리 잔존가치 평가 서비스, 배터리 진단 서비스 등이 있습니다.

① 전기차 배터리 잔존가치 측정 서비스

- 전기차 배터리(팩/모듈/단셀)의 충전 및 방전 데이터를 분석하여 배터리의 성능을 진단하는 기술로, 빠른 진단 시간 (30분 이내) 및 높은 진단 정확도 (완전방전용량대비 95% 정확도) 필요한 서비스입니다.

5) 폐배터리 재활용

'사용 후 배터리'로 불리며 재사용, 제재조, 재활용을 구분 재사용의 경우 'ESS'등 제한적 활용 사례만 일부 존재합니다.

① 재사용 (Re-Use) : 용도 변경하여 사용하는 것

② 제재조 (Re-Fabricate) : 배터리 모듈을 분해 또는 직병렬로 재구성 후 원하는 전압/전류를 만들어 사용하는 것

③ 재활용 (Re-Cycling) : 배터리를 분해하여 니켈, 코발트, 리튬 등 핵심물질을 추출하여 재활용

자세한 폐배터리 활용은 다음 섹션에서 자세하게 다룹니다.

3. 각 OEM 사의 배터리 셀 공급 현황 및 Cell Type

주요 자동차 OEM사의 배터리 도입과 관련하여 공급망 현황을 살펴보면 다음과 같습니다. 미국, 유럽, 국내 OEM의 경우 국내 배터리 사의 배터리를 도입하고 있으면, 중국 전기차 회사의 경우 중국 회사의 배터리를 사용하고 있는 모습입니다.

이는 도입하고 있는 배터리 종류가 다른 것으로 미국, 유럽, 국내 주요 OEM은 삼원계 배터리(NCA, NCM)를 주로 채택하고 있으며, 중국 제조사의 경우 저렴한 LFP 배터리를 사용하고 있음을 말합니다.

출처 : 2차 전기 관련주 : 전기차 배터리 공급 체인

그리고 위 표에서 언급된 각형, 원통형, 파우치 형에 따른 배터리 특징을 간략하게 살펴봅니다.

1. 각형

•알루미늄 캔으로 둘러싸여 있기 때문에 외부 충격에 강해 내구성이 뛰어나고 안전

•내부 공간 활용 측면에서 불리> 에너지 밀도가 상대적으로 낮다

•알루미늄 캔을 사용해 무겁고 제조 공정도 상대적으로 복잡하다는 단점

2. 원통형

•외관이 견고하다. 가장 전통적인 형태로 사이즈가 규격화돼 있어 생산 비용이 저렴

•부피당 에너지 밀도가 높음

•전기차 배터리로 만들기 위한 배터리 시스템 구축 시 고 비용

3. 파우치형

•에너지 밀도가 높아 주행거리가 길다는 점

•배터리 내부 공간 효율이 개선되면서 에너지 용량이 커짐

•다양한 사이즈와 모양으로 제작 가능

•각형이나 원통형에 비해 케이스가 단단하지 않아서 모듈이나 팩으로 만들 때 이를 커버할 수 있는 기술이 필요

2018~2020년 전기차 배터리 유형별 탑재량 및 비중

출처 : SK이노베이션 뉴스

배터리 유형의 비중에서도 볼 수 있듯이 각형 중심이었던 배터리 유형은 점차 파우치 형으로 이동함이 보입니다. 이는 초기 NCM(NCA) 계열 배터리의 안정성을 강화하기 위해서 각형을 사용했을 것으로 추정되고 기술이 발전함에 따라 OEM의 다양한 차량 사양을 맞추기 위해 점차 파우치 형이 확대되는 것이 아닌가 합니다.

아래 그림과 같이 아직 배터리 발주 프로젝트는 진행 중입니다. 앞으로 2~3년을 예상하면, 파우치 형 도입에 따른 자동차 타입의 다양화 그리고 높은 성능을 갖춘 전기차가 출시될 것으로 보입니다.

출처 : 배터리 (비중확대) - 22년 Keyword는 해외 증설과 원가 혁신 / 미래에셋

4. 폐배터리 활용

앞에서 간략하게 언급한 것처럼 폐배터리를 활용하는 방법에는 크게 3 가지가 존재합니다. 이번 단락에서는 이 중 재사용과 재활용에 대해 자세히 살펴봅니다.

1) 재 사용 (Re-Use)

전기자동차에 사용되는 리튬 2차 전지는 초기 용량 대비 70% 이하로 감소하면 주행거리 감소, 충전 속도 저하 및 안전성 위험 증가 등 운행상 문제로 교체가 필요합니다. 이때 잔존용량이 높은 폐배터리의 팩을 일부 개조하거나 기존 팩 그대로 수거하여, 해체 및 안전 테스트를 거친 후 다시 ESS(Energy Storage System) 상품화를 통해 재사용하는 방식을 의미합니다.

아래 그림과 같이 폐 배터리 재 사용 과정을 보면 전기차에서 분리된 배터리 팩을 분해 모듈로 만들고, 이를 점검 분석하여 재 상품화합니다. 재 사용의 대부분의 사례는 "ESS" 저장 장치로 활용하는 것으로 이외의 사용은 극히 제한적으로 알려져 있습니다.

2) 재 활용 (Re-Cycling)

재 활용은 폐 배터리로부터 핵심물질(니켈, 리튬, 코발트)을 추출하여 재활용하는 것을 말합니다.

재활용 공정은 크게 전처리 공정과 후처리 공정으로 구분된다.

1) 전처리 공정은 물리적 해체를 의미하며, 후처리 공정은 건식제련, 습식제련을 의미한다. 방전시킨 배터리를 물리적으로 해체할 경우 배터리 재활용 첫 단계인 전처리 공정을 거치게 되는데, 부품회수, 기계적 분쇄, 블랙 파우더 제조과정이 이에 해당합니다.

2) 후처리 공정으로는 크게 건식제련과 습식제련 방식으로 구분되며 각 방식에 대해 살펴보면 다음과 같다.

① 건식제련(pyrometallurgy) : 금속을 추출하기 위해 고온의 열을 가하는 방식

- 기계적 분리 및 고온 열분해 방법을 포함하며, 재활용 공정이 비교적 간단함. 다양한 종류의

배터리 재료나 귀중한 금속을 직접 회수할 수 있는 장점이 있음

- 반면 이 방식은 전력소비가 많고 처리 과정에서 유해 가스가 배출될 수 있어 배기가스 회수

설비를 갖춰야 하는 단점이 있음

② 습식제련(hydrometallurgy) : 주로 산-염기 용액을 사용하여 전극 재료의 금속을 추출하는 방식

- 저용량 설비가 가능하고, 배터리 금속물질을 효율적으로 회수할 수 있어 제품의 순도가 높다는

장점이 있음

- 반면 이 방식은 재활용 공정이 길고 복잡하며, 염산 등 부식성 용액의 관리에 비용이 소요되는

단점이 있음

폐배터리의 재활용 시장은 향후 더 중요해질 것으로 예상됩니다. 향후 늘어나는 전기차만큼 많은 배터리가 소요되며, 이에 이를 만들기 위해 필요한 광물 자원 역시 많이 필요해집니다. 하지만, 주요 소재 중 리튬은 향후 공급이 원활하지 않을 것으로 예상됩니다. 주요 광물 생산업체들이 생산량을 늘리고 있으나, 리튬의 경우 수요 성장 대비 부족한 수준으로 평가됩니다. 이에 향후 리튬 수급 이슈가 발생할 가능성이 높아 보입니다.

이러한 원재료 공급 이슈는 밸류체인에서 폐 배터리 재활용이 하나의 대안으로 고려할 수 있다.

5. 전기차 배터리 밸류체인의 미래

지금까지 전기차 배터리 밸류체인 및 각 단계별 주요 내용에 대해 살펴 보았습니다. 원자재 > 2차 전지소재 > 셀 제조 > 배터리 제조 > 전기차 배터리 고객 > 배터리 서비스 > 배터리 재활용 단계로 구분 되는 밸류체인은 시점에 따라 주목 받는 밸류체인 단계가 있습니다. 2021년과 2022년은 2차 전지 소재 및 셀 제조, 배터리 제조 시장의 급격한 성장을 목격하였습니다. 향후 예상되는 전기차 수요에 따라 셀 제조 및 2차전지 소재 업체들은 공장 증설을 늘리기 위한 공격적인 투자를 하였고, 이를 통해 관련 회사의 매출 및 시장의 성장은 눈에 띄었습니다. 이에 향후 전기차 배터리 밸류체인에서 배터리 서비스와 배터리 재활용의 단계에서 관련 기업과 시장의 눈에 띄는 성장이 기대됩니다.

배터리 원재료 수급 전망은 여러 리포트를 통해 확인 가능하듯이 과부족 현상이 향후 지속될 것으로 예상됩니다. 이는 전기차 보급 확대에 따른 수요의 급격한 상승이 그 원인으로 주목받고 있습니다. 물론 공급망 불안정성 증가와 공급 부족등 복합적 요인이 작용도 했습니다.

이러한 원자재 가격변동을 보면 2021년부터 2022년 5월까지 리튬 가격은 7배 이상, 니켈 가격은 거의 2배 각각 상승했습니다. 이에 따라 부족한 공급을 해결하기 위한 방법으로 배터리 재 활용이 주목 받고 있습니다. 이에 2022년을 기점으로 폐 배터리 재활용에 대한 다양한 시장의 관심과 이를 활성화 하기 위한 재도적 뒷받침이 활발할 것으로 예상됩니다. 이를 통한 폐배터리 시장의 확대는 전기차 배터리 밸류체인의 선순환 구조를 만들 것으로 보입니다.

또한 2023년 이후 본격적인 전기차 시대의 도입을 앞두고 다양한 전기차 배터리를 활용한 다양한 서비스가 출시 할 것으로 기대됩니다. 밸류체인 상에서 배터리 서비스는 차량 관리와 구분되는 형태로 배터리 관리 및 관제가 이루어지게 되면, 이를 활용한 다양한 부가 서비스들이 출시 될 것으로 보입니다. 즉 배터리의 가치를 관리하고 가치를 증가 시킬 수 있는 형태의 서비스 출현을 이야기 합니다. 배터리를 어떻게 관리하고 사용하는지에 따라 자동차 배터리의 가치는 달라지게 되고 이는 결국 경제적 부가 가치의 차이를 만들게 됨을 이야기 합니다. 현재 전기차 배터리 리스와 같은 형태가 일부 국토교통부 시행령 개정을 통해 실제 적용 준비를 하고 있으며, 배터리 잔존가치 측정을 위한 다양한 연구과 데이터 분석이 이루어 지고 있습니다.

전기차 배터리 밸류체인의 미래에 있어서 중요한 점은 한 기업이 하나의 밸류체인 단계에만 존재하지 않는다는 것입니다. 전기차 배터리 고객은 전,후방 단계에 대한 영역 확장을 할 것으로 예상됩니다. 즉 배터리 제조를 직접하는 등의 기술 내재화를 할 것으로 예상되며, 이는 실제 배터리 제조와 JV를 통해 이를 직접 참여하는 모습으로 보여 집니다. 뿐만 아니라 서비스 영역이 중요해 지는 만큼 다양한 배터리 서비스를 직접 제공하려고 할 것으로 예상됩니다.이러한 영역 확장은 전기차 배터리 고객 단계에만 적용되지 않습니다. 배터리 셀 제조 영역에 있는 업체들 역시 영역확장을 하고 있습니다. 대표저인 사례가 양극재 생산을 내재화입니다. 배터리 셀 제조에서 가장 큰 비중을 차지 하는 양극재를 내재화 하면서 수익성을 극대화 하려고 하고 있습니다. 뿐만 아니라 모듈, 팩 제조를 직접 하는 등의 사업 영역확장을 하고 있습니다.

지금까지 전기차 배터리 밸류체인의 미래에 대해 살펴 보았습니다. 이를 다시 정리해 보면

1) 전기차 배터리 밸류체인 관심 단계 전환 : 배터리 서비스와 폐배터리 재활용 단계 관심 집중

2) 다양한 배터리 서비스의 출시 및 확대

3) 기업의 밸류체인 단계의 전,후방 사업 영역 확장

입니다.

앞으로 많은 성장과 변화가 이루어질 전기차 배터리 밸류체인을 기대하며, 오늘은 여기까지 작성합니다. 읽어주셔서 감사드리고, 잊지 마시고 “좋아요” 혹은 “추천” 그리고 브런치 "구독" 부탁드립니다.

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