각형? 파우치형? 전기차 배터리 그게 다 뭐람

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블랙데이, 로즈데이 등등 각종 데이가 참 많아졌어요. 대수롭지 않게 여겨도 어쩔 땐 나만 도태된 것 같고 뭐라도 해야 할 것 같은 느낌이 들게 해요. 확실한 건 그날을 다른 날과 구별시켜주긴 한다는 거죠.

전기차 시장에도 뜻깊은 ‘데이’가 있어요. 테슬라의 배터리데이, 폭스바겐의 파워데이가 대표적이에요. 열렸다 하면 뜨거운 관심을 받아요. 모두가 그들의 입술에서 나오는 말을 예의주시해요.

지난 15일(현지시간) 폭스바겐이 독일에서 파워데이 행사를 열었어요. 여기서 폭스바겐은 새로운 계획을 발표해요. 자사 차세대 전기차에 들어가는 배터리를 독자적으로 생산하겠다고 선언했죠.

혼자는 아니에요. 스웨덴 배터리 기업 노스볼트과 손잡고 생산하죠. 노스볼트는 전직 테슬라 임원 두 명이 설립한 기업이에요. 2016년 설립됐으니 아직 신생 기업에 가까워요. 노스볼트의 물밑 작업은 이미 시작됐어요. 최근 한국 배터리 소재·부품·장비 기업들과 접촉 중이라는 사실도 확인됐죠. 노스볼트와 한국 배터리 소부장 기업 간 협력 여부에 관심이 쏠리고 있어요.

폭스바겐은 노스볼트와 2030년까지 유럽 내 6곳에 배터리 공장을 세운다고 계획했어요. 연간 생산량은 각각 40GWh로 총 240GWh 생산 능력을 보유하게 되는 거죠.

현재 테슬라의 첫 유럽 기가팩토리가 독일 베를린에 지어지고 있어요. 기가 베를린이라고 부르고 있어요. 네바다, 뉴욕, 상하이에 이어 네번째 ‘기가급’ 팩토리에요. 이 기가 베를린의 연간 생산 규모가 200~250GWh인데 이와 비슷한 규모에요.

폭스바겐은 자체 생산한 배터리를 2023년부터 적용하기 시작하고 2030년에는 자사 전기차 80%에 자체 배터리를 탑재한다는 계획이에요.

여기서 잠깐! ‘GWh‘는 전력량을 산정하는 기준 단위에요. ‘기가와트시’라고 읽어요. 배터리 공장 규모를 표현할 때 자주 볼 수 있어요. 전력 소비량이 매우 높은 곳에서 사용하죠. KWh라는 단위도 자주 사용하는데 1,000,000KWh=1GWh에요.

위에서 설명한 연간 생산 규모 240GWh 배터리 공장은 전기차 한 대에 들어가는 100KWh 용량 배터리를 생산한다고 가정하면 1년간 240만개를 만든다는 뜻이에요. 240GWh를 100KWh로 나누면 240만개가 나와요.

전기차의 뛰는 심장 ‘배터리’

폭스바겐의 배터리 생산 움직임에 전 세계가 주목하는 이유는 뭘까요? 앞으로 전기차가 대세가 될 것이라는 생각에는 대부분 동의할 텐데요. 바로 전기차의 핵심이 배터리이기 때문이에요.

예전에 내연기관 시대에는 자동차하면 가장 중요한 부분은 엔진이었어요. 그래서 우리 몸에서 가장 중요한 것이 심장이듯 엔진을 자동차의 심장이라 불렸어요. 내연기관은 화석연료를 폭발시켜 엔진을 구동하고 자동차휠을 돌려 차량을 움직여요.

그런데 새롭게 나타난 전기차는 방식이 달라요. 연료를 연소시킬 필요가 없어요. 대신 동력을 저장하는 장치만 있으면 돼요. 그게 배터리에요. 배터리에 저장된 에너지를 전기모터로 전달만 해주면 돼요. 배터리는 저장 장치인 동시에 동력 발생 장치이기도 해요. 가만 보면 이전에 엔진의 자리를 배터리가 꿰찼다고도 볼 수 있어요. 전기차 시대에 배터리는 핵심 부품으로 부상했어요.

리튬이온 배터리 (출처:삼성SDI)

아주 간단한 배터리 상식

배터리는 1차 전지와 2차 전지로 나눠요. 1차는 알람시계나 리모콘에 넣는 한 번 쓰고 버리는 배터리를 말해요. 흔히 건전지라고 하죠. 2차 전지는 충전하면 다시 쓸 수 있는 배터리에요. 전기차에는 무엇을 사용할까요. 다 쓰고 새 걸로 교체하기 위해 차체를 뜯어내면 여간 힘든 일이 아니겠죠. 그래서 2차 전지를 사용해요. 배터리가 얼마 안 남으면 충전해서 사용하는 거죠.

2차 전지에도 종류가 나뉘어요. 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬이온 배터리 등이 있어요. 이중에서도 리튬이온 배터리는 니켈카드뮴이나 니켈수소 배터리와 비교해 같은 공간에 더 많은 용량을 저장해요. 에너지 밀도가 높죠. 더 오래 사용할 수 있어요. 이러한 특성으로 인해 스마트폰이나 전기자전거에 많이 사용되죠.

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성돼요. 양극은 리튬산화물, 음극은 천연흑연으로 구성되며 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하고 리튬이온만 통과시키는 역할을 해요. 전해질은 이온의 이동을 돕고요. 여기서 주목할 것은 양극재에요. 높은 성능을 내는 고밀도 배터리 생산을 결정짓거든요. 무엇으로 양극재를 조합하느냐에 따라 밀도는 큰 차이를 보여요. 배터리를 만들 때 드는 비용 중 절반도 양극재에서 발생해요.

대표적인 양극재로는 NCA(니켈코발트알루미늄), LMO(리튬망간산화물), LCO(리튬코발트산화물), LFP(리튬인산철), NCM(니켈코발트망간)이 있어요. 복잡한 원소 이름이지만 니켈, 코발트, 알루미늄, 망간이 눈에 띄네요. 맞아요. 이들을 조합해 만든 양극재들이죠. 시장에서 가장 많이 찾는 양극재는 NCM 계열이에요. 철금속을 포함하지 않은 것이 특징인데 에너지 밀도가 높고 가벼운 대신 제조 원가나 폭발 위험성도 높아요.

철 소재를 많이 사용하고 코발트는 빠진 LFP의 경우 에너지 밀도는 낮고 무겁지만 저렴하고 폭발 위험이 낮은 것이 특징이에요. 테슬라가 중국 내수용 모델3에 LFP를 적용한 바 있어요. 소위 가성비 측면에서 NCM보다 LFP가 낫다는 판단이었겠죠.

여기 없는 배터리도 있다?

차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리도 얘기하지 않을 수 없네요. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 간 이온 전달 전해질을 액체가 아닌 고체로 사용하는 배터리에요.

장점도 아주 많아요. 일단 에너지 밀도가 높아 주행 거리를 획기적으로 늘려줘요. 충전 시간을 줄어들죠. 경량화가 가능해 대용량 배터리 설계도 가능해요. 열과 외부 충격에도 강하고 폭발 위험도 적어요.

만들기 어려울 뿐이지 이론적으로 더 나은 배터리로 알려졌어요. ‘꿈의 배터리’로 불리는 게 괜한 말은 아니에요.

앞서 소개한 배터리가 지금은 표준 경쟁을 하고 있지만 전고체 배터리가 상용화되면 상황이 정리될 것이라는 분석도 있어요.

(왼쪽부터)원통형, 파우치형, 각형 배터리 이미지 (출처:flashbattery)

전기차용 배터리 대표 선수 3종

전기차에는 리튬이온 배터리가 주로 사용된다고 했죠. 그런데 리튬이온 배터리를 어떤 용기에 담느냐에 따라서 크게 각형, 원통형, 파우치형으로 나눠요. 하나씩 살펴볼게요.

‘각형’

이름 그대로 각진 형태가 특징이에요. 이미지를 보면 단단하고 묵직한 느낌이 들 거에요. 역시나 외부 충격에는 강한 면모를 지녔어요. 내구성이 강해 수명도 긴 편이에요. 표준화가 용이하다는 장점도 있어요. 생산도 비교적 쉬운 편이에요. 대신 무게가 좀 나가요. 그래서 주행 거리가 짧다는 문제가 있죠. 공간이 최소화되다 보니 발열에도 약한 모습을 보여요.

BMW와 메르세데스 벤츠에서 이 각형을 사용해요. 각형은 중국 CATL과 삼성 SDI가 주력으로 생산하는 배터리에요.

‘원통형’

원통형 배터리는 원통 형태로 만들어져요. 딱 봐도 흔히 보던 건전지의 모습 그대로에요. 원통이라는 특성상 외부 압력에도 잘 견디는 편이에요. 표준화된 형태가 있어 대량 생산에도 적합해요. 무엇보다 상대적으로 원가 부담이 낮아 저렴하다는 것이 큰 장점이에요. 원통형 배터리의 저렴한 가격은 각형과 파우치형 배터리 진영이 원가 절감에 대한 고심에 빠져들게 했죠. 대신 빈 곳이 발생해 공간 활용도는 낮은 편이에요. 수명도 짧아요.

원통형 배터리를 사용하는 곳은 테슬라가 대표적이에요. 테슬라는 지난해 배터리데이에서 깜짝 발표를 했어요. 직접 배터리를 만들겠다고 선언한 것이죠. 배터리 생산에는 파나소닉이 참여했어요. 기존 테슬라가 사용하는 배터리는 2170배터리에요. 지름 21mm, 길이 70mm라 2170배터리라 불러요. 배터리데이에서 언급한 신형 배터리는 4680배터리에요. 지름 46mm, 길이 80mm로 2170배터리보다 2배 가까이 큰 것을 알 수 있어요. 에너지 밀도는 5배 높고 출력은 6배 높다고 해요.

원통형 배터리는 LG에너지솔루션과 파나소닉에서 만들어요. 최근 LG에너지솔루션과 삼성SDI가 원통형 배터리 생산 시설 증설에 나섰는데요. 테슬라를 겨냥해 선제적으로 투자한 것이라는 분석이에요. LG에너지솔루션이 미국에 짓게 될 배터리 공장에서는 4680배터리를 생산할 것으로 전해져요.

‘파우치형’

파우치형은 독특해요. 가볍고 유연해서 다양한 형태로 제작이 가능해요. 다양한 전기차 디자인에도 효과적으로 대응할 수 있죠. 어느 정도 형태가 정해진 각형과 원통형과 구별되는 점이죠. 또한 가벼워요. 그런데 맞춤형 제작으로 인해 원가가 높아요. 안정성도 떨어지는 데다 공간이 적은 편이라 열 관리가 어려워요.

현대자동차, 기아자동차, 제너럴모터스(GM) 그리고 폭스바겐에서 파우치형을 주로 사용해요. 파우치형 배터리는 SK이노베이션과 LG에너지솔루션에서 주력으로 만들어요.

폭스바겐이 쏜 화살에 K-배터리 휘청?

배터리가 중요한 것도 알았고 어떤 종류가 있는지도 살펴봤어요.

그럼 시장은 왜 폭스바겐의 결정에 국내 2차전지 업체들의 주가가 주춤했던 걸까요. 앞선 파워데이에서 폭스바겐이 각형 배터리 탑재를 확대하겠다고 발표했기 때문이에요. 각형 배터리는 폭스바겐이 투자하는 노스볼트에서 담당하게 돼요. 그동안 폭스바겐은 파우치형 배터리를 주로 채택해왔어요. 가장 최근 공개된 전기차 ID4에도 파우치형 배터리가 적용됐죠.

폭스바겐의 결정에 파우치형 배터리를 공급하던 한국 배터리 기업은 당황할 수밖에 없었겠죠. 파우치형이 더 낫다는 판단하에 시설도 파우치형 생산에 맞게 설비됐으니 말이죠.

당황한 건 투자자들도 마찬가지에요. 한국 배터리 제조사가 타격을 입게 될 것으로 판단했을 거에요. 폭스바겐은 인수합병을 통해 거대한 기업으로 변모한데다 전 세계 자동차 기업 중 가장 많은 매출을 올리는 기업이기도 해요. 큰 고객사를 잃게 되니 분명 악재로 보일 수 있는 부분이죠.

왜 각형 배터리를 선택했을까?

폭스바겐이 각형 배터리를 선택한 이유는 분명하지 않지만 여러 분석들이 나오고 있어요.

일단 아시아 의존도를 줄이겠다는 의도로 보이는 측면이 있어요. CATL, LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션 등 아시아 기업이 세계 배터리 시장을 주도하고 있어요.

일단 폭스바겐 전체 매출 40%가 중국에서 발생하다 보니 예외적으로 각형 배터리를 생산하는 중국 배터리 기업과는 가까운 거리를 유지하는 모습이에요. 아무래도 중국을 공략하려면 현지 업체와 손잡아야 확장에 유리한 측면이 있으니까요.

전기차 배터리 표준화 향방을 가늠해볼 수 있다는 시각도 있어요.

각형, 원통형, 파우치형. 이 중에서 어느 것 하나만 최고일 수는 없어요. 각각의 장단점이 존재하기 때문이에요. 자사 전기차에 가장 적합하다고 생각되는 배터리를 선택하게 될 거에요. 폭스바겐은 각형 배터리의 장점인 안정성과 생산성에 높은 점수를 뒀다고 봐야겠죠.

사실 중요한 건 ‘배터리 내재화’

배터리는 전기차 전체 원가에 아주 큰 비중을 차지해요. 약 40~50%에 해당하죠. 배터리 가격을 줄일 수 있다면 원가도 크게 줄어들 거에요. 가격 경쟁력이 생기는 거죠. 중간 단계에서 발생하는 비용도 절감하는 효과가 있어요.

배터리를 자체 생산하면 수직계열화 체계를 구축하게 돼 생산 기술을 고도화하고 변화하는 시장에도 효과적으로 대응할 수 있어요. 일정이 지연되는 일도 줄어들겠죠. 폭스바겐도 배터리 내재화로 수직계열화 체계를 구축하려는 움직임으로 볼 수 있어요.

내재화가 말처럼 쉽지 않다던데…

배터리 내재화, 말은 참 좋은데요. 대부분의 기업이 원하는 것이기도 해요. 쉽지 않은 게 문제죠.

폭스바겐보다 한발 앞서 배터리 내재화를 발표했던 테슬라의 상황을 살펴보죠. 전기차 하나에만 집중하는 테슬라는 지금도 배터리 개발을 멈추지 않고 있으나 어려움이 있는 것으로 알려졌어요.

‘수율’이란게 있어요. 수율은 경함이 없는 제품의 비율을 말해요. 당연히 높을수록 좋은 거에요. 테슬라도 배터리 양산에 가까워졌으나 여전히 수율 이슈가 있다고 해요.

과거 다임러와 BMW도 배터리 내재화를 시도했다가 포기한 아픈 과거가 있어요.

현대차도 배터리 자체 생산과는 일단 선을 그은 상태에요. 알버트 비어만 현대차·기아 연구개발본부장은 최근 언론과의 인터뷰에서 “배터리 분야에선 국내 3사(삼성SDI, SK이노베이션, LG에너지솔루션)와 긴밀한 협력을 논의 중이어서 배터리 독자 생산의 필요성을 아직 못 느낀다”라고 말했어요. 대신 전고체 배터리를 비롯한 차세대 배터리 연구 중인데다 기술도 높은 수준까지 올라왔다고 설명했죠. 현대자동차는 2030년에 전고체 배터리를 탑재한 전기차 양산을 계획하고 있어요.

이런 큰 기업들도 포기하는 건 배터리 내재화가 쉽지 않다는 의미겠죠.

폭스바겐의 배터리 내재화 선언이 쉽지 않을 것이라는 관측도 그래서 나오는 거에요. 각형 배터리 생산 결정에 시장이 과하게 반응한다는 지적도 나와요.

일단 노스볼트 기술력은 검증된 것이 없어요. 양산 능력이나 원가경쟁력, 품질 등 객관적으로 살펴볼 수 있는 지표가 전무한 실정이죠. 어떤 결과물을 내놓을지 불분명한 상황이에요.

실험실 안에서 완성도 높은 배터리 하나를 만드는 건 그리 어려운 일은 아닐지 몰라요. 그런데 결함 없는 제품을 대량으로 생산한다는 건 전혀 다른 차원의 문제죠. 노스볼트는 아직 배터리 대량 생산 경험이 없는 것으로 알려졌어요.

물론 노스볼트의 미래를 쉽게 장담할 수는 없어요. 하지만 설립된 지 얼마 안 된 기업이 꽤나 의미 있는 결과를 도출해내려면 다른 배터리 기업이 거쳤던 어려운 과정들을 똑같이 밟아야 할 거에요. 차질 없이 진행해 나간다 해도 100% 성공을 보장하는 건 아니지만요.

이름만 들어도 알만한 배터리 제조사들의 명성이 하루아침에 만들어진 것도 아니에요. 국내 배터리 기업만 봐도 20년 이상 업계에서 기술력을 갈고 닦아 왔어요. 배터리 양산 경험도 풍부하죠. 또한, 배터리는 반도체만큼이나 후발 주자가 따라잡기 힘든 시장이라고 해요. 후발주자가 맹렬히 쫓아온다고 해도 기존 배터리 기업들이 가만히 있는 것도 아니잖아요.

그래서?

폭스바겐의 갑작스러운 발표로 국내 배터리 업계에 비상이 걸렸다는 말들로 뜨거웠지만, 지금은 조금 가라 앉았어요. 폭스바겐의 배터리 내재화와 각형 배터리 탑재 등에 크게 긴장할 것 없다는 분위기가 조성되고 있거든요. 일단 2025년까지는 국내 배터리 기업과 계속 함께하는 걸로 돼있죠. 그리고 폭스바겐을 제외해도 여전히 많은 기업들이 배터리를 원하고 있어요. 전 세계 배터리 수요는 계속 증가할 것으로 예측돼 장기적으로 보더라도 긍정적으로 볼 수 있다고 해요.

쏠리는 관심만큼이나 전기차 시장 내 경쟁은 계속될 것으로 보여요. 앞으로 기업이 어떤 배터리를 선택하고 개발해내는지, 완성차 업체의 배터리 내재화는 과연 성공할 것인지 여부가 궁금해지네요.

테크플러스 에디터 나유권

tech-plus@naver.com

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