이차전지 승자의 조건은?

이차전지 승자의 조건 - 배터리가 주도하는 400조 거대 시장의 패권 경쟁
정경윤 외 지음 / 길벗 / 2023년 3월

버핏클럽 서평이벤트에 당첨돼 도서를 제공받았습니다.

이차전지 관련 주식이 치솟고 있습니다. 여기저기서 이차전지, 이차전지 하고 있어서 투자해볼까 관심을 가지는 사람들이 많을 것입니다. 저도 그중 하나여서 이 책을 흥미롭게 보았습니다.

이 책은 이차전지가 무엇이고, 이차전지의 개발 역사는 어떻게 되며, 현재 이차전지의 발전 현황 및 풀어야 할 과제, 이차전지의 시장 판도와 미래 전망의 구조로 이야기를 전개합니다.

이차전지도 배터리입니다. 일차전지란 한번 사용하면 충전할 수 없어 재사용할 수 없는 수은전지, 알칼리전지 같은 것이며 이차전지는 충전이 가능하며 재사용할 수 있는 전지입니다. 대표적인 이차전지가 리튬이온전지로 휴대폰, 노트북, 전기자동차, ESS, 무선이어폰 등 현재 거의 모든 전자제품에서 사용되고 있습니다.

리튬이온전지 개발로 2019년 노벨화학상을 받은 3인(존 구디너프, 스탠리 휘팅엄, 요시노 아키라) 덕분에 각종 전자기기와 전기자동차 등 전력 공급선 없이 편리한 무선생활을 하고 있고 배기가스 없이 자동차를 운행할 수 있게 되었습니다.

저자 4분이 모두 공학박사님이라서 그런지 이차전지에 대한 정의와 발전사를 자세히 정리하고 있습니다. 이차전지 원리를 자세히 알고 싶은 분들에겐 좋은 참고서가 될 것입니다.

이차전지의 세계 시장은 한, 중, 일 3국이 점유하고 있습니다. 우리나라는 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온을 중심으로 전 세계 이차전지 시장을 주도하고 있습니다.

재충전이 가능한 이차전지의 최초 형태는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테가 발명한 납축전지입니다. 휴대용 이차전지는 1899년 스웨덴 발데마르 융너가 발명한 니켈카드뮴전지가 최초입니다. 여기서 에너지밀도를 높인 전지가 니켈수소 및 리튬이온전지(1967년 바텔제네바연구센터)입니다.

리튬이온전지 상용화는 1991년 일본 소니사에서 시작되었습니다. 주로 노트북에 사용되었죠. 그 후 일본 시장에서 리튬이온전지가 상용화되었는데, 책은 이 부분을 자세히 설명합니다.

리튬이온전지가 자동차에 처음 사용된 것은 2012년 테슬라의 전기자동차 모델S입니다. 당시 모델S의 가격은 1억 2천만 원 정도. 현재는 GM, 폭스바겐, 현대기아자동차 등에서 90% 가까이 원가절감에 성공한 전기자동차가 출시 중입니다.

2022년식 아이오닉5의 배터리 용량별 주행거리와 국고보조금도 설명하고 있어서 전기자동차 구매에 관심 있는 분들에게 도움이 될 것 같습니다. 주행거리의 핵심은 이차전지의 에너지 밀도입니다. 현재 니켈 함량이 90% 넘는 NCM9055 양극 활물질 소재 개발에 있으니 일충전 주행거리도 지금의 450킬로미터보다 20% 이상 향상된 550킬로미터 정도 될 전망입니다.

전기차 배터리의 수명은 어떻게 될까요? 매년 약 2.3%씩 주행거리가 짧아져 5년간 320킬로미터 주행거리를 잃는다고 합니다. 배터리 수명을 유지하려면 부분 방전이 유리하다고... 이론상으로는 21년 넘게 전기차를 타더라도 배터리 교체 없이 사용할 수 있다고 합니다.

전기차 생산원가에서 현재 배터리가 차지하는 비중은 40%로 높은 편입니다. 이 비중은 2030년 14%로 감소할 전망입니다. 전기차 가격은 10년 이내에 내연기관차와 비슷한 수준까지 인하될 전망도 있습니다. 최근 전기차 배터리 가격이 10년 만에 오르고 있다는 것은 문제입니다. 배터리의 핵심 재료인 리튬, 코발트, 니켈 가격은 폭등세입니다.

배터리의 안정성도 문제입니다. 특히 화재 사고가 위험합니다. 배터리에 한번 난 불은 좀처럼 진압되지 않는데 엄청난 양의 물을 오랜 시간 뿌려야만 진화될 수 있다고 합니다. 문제는 그 물의 양도 엄청나고 물을 뿌리면 불화수소 가스가 발생한다는 것. 2021년 테슬라 모델S에서 발생한 화재를 끄는 데 7시간이 걸렸고 2만 8000갤런의 물이 소요되었는데 이는 미국 평균 가정의 2년치 사용량이라고 합니다.

화재 안정성이 높다고 알려진 이차전지가 리튬인산철전지인데 2010년 한국의 AD모터스가 ‘체인지’라는 저속전기차에 탑재했다고 합니다. 2018년 코오롱오토플랫폼의 전기지게차에 중국 BYD의 리튬인산철전지를 탑재한 바 있습니다. 이 시장은 중국 BYD와 CATL이 주도하고 있고 국내 LG엔솔, SK온이 개발에 착수했습니다.

리튬인산철전지는 에너지밀도는 낮으나 비교적 저렴하고 안전하다는 인식이 있습니다. 그러나 이 전지 역시 폭발 사고가 있습니다. BYD는 블레이드 배터리를 개발해 단점을 보완한 LFP 배터리를 출시했습니다. LFP 배터리 점유율이 높아지고 있는데 테슬라, 폭스바겐, 포드, 벤츠도 이를 전기차에 탑재한다고 밝혔습니다.

LFP 배터리는 저가제품이라는 인상이 강합니다. 일본과 한국의 배터리 제조업체가 개발한 NCM(니켈 코발트 망간), NCA(니켈 코발트 알루미늄) 시스템보다 약 20% 비용이 적게 들기 때문입니다. LFP 배터리를 탑재해 가장 인기를 끌고 있는 것이 상하이GM울링의 홍구앙 미니EV인데 약 500만 원이라고 합니다. 이 모델이 테슬라를 제치고 중국시장 1위를 차지하고 있다고.

차세대 배터리 전쟁은 안전성 향상이 관건입니다. 차세대 배터리의 대표주자로 전고체전지를 들 수 있는데 현재 미국과 일본이 주도하고 있습니다. 삼성전자도 이 배터리개발에 착수했다고 합니다. 전고체전지는 배터리 폭발 위험에서 자유롭고 친환경 전지라고 합니다. 아직 상용화에 이르지는 못했습니다. 전고체전지에서 가장 기술적으로 앞선 국가는 일본입니다만 삼성전자 종합기술원도 ‘석출형 리튬음극’을 적용해 전고체전지의 수명과 안전성을 높인 기술을 2020년 국제학술지에 발표했습니다.

반도체를 뛰어넘어 미래의 먹거리가 바로 이차전지라는 말도 과언이 아닌 것 같습니다. 이차전지에 투자하려는 분들, 전기자동차를 구매하려는 분들에게 유익한 책입니다. 투자자뿐만 아니라 이차전지가 우리 일상에 이토록 밀접하다면 이차전지에 대한 기본지식은 갖출 필요가 있을 것 같습니다. 이 책이 좋은 참고서가 될 것 같습니다.