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[전기차 상식] 3社3色, 글로벌서 통하는 우리 배터리

최대 배터리 戰場 동아시아서 기술력으로 승부하고 있는 국내 배터리 3사

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[무료등록-대박 경품] 솔리드웍스의 클라우드서비스로 확 달라진 제조 현업의 이야기가 찾아갑니다 (12.10)

헬로티 이동재 기자 |

 

 

전기차에서 가장 핵심적인 부품은 뭘까. 전기를 동력으로 사용하는 전기차의 정체성 측면에서, 단연 배터리다. 배터리의 성능에 따라 전기차의 주행거리, 충전시간 등 소비자의 구매를 좌우하는 핵심 요인들이 결정된다. 

 

전기차에 들어가는 배터리의 가격은 전기차 가격 중 40%에서 많게는 50%까지 차지한다. 내연기관 엔진 가격이 자동차 가격의 20%대를 차지하는 것을 생각해보면, 높은 비중이 아닐 수 없다. 현 단계에서 전기차 대중화의 가장 큰 걸림돌로 작용하는 것이 취약한 가격 경쟁력인 만큼, 유관 기업들은 배터리의 생산 비용을 낮추는데 총력을 다하고 있으나, 여전히 배터리는 비싸다. 

 

전기차 배터리는 높은 출력과 효율성을 유지하면서 안전성까지 확보돼야 하기 때문에 만들기가 쉽지 않다. 자동차 회사들은 까다롭고 비싼 배터리를 굳이 스스로 생산하기보다 배터리 제조 전문 회사에 맡겨 왔다.

 

최근 들어 글로벌 완성차 업체들 사이에서 배터리를 직접 만들어 생산 자립을 이루고 생산 원가를 낮추려는 움직임이 일고 있다. 그러나 아직 배터리 전문 제조사들과의 합작을 통해 기술력을 쌓아갈 수밖에 없는 단계라, 당분간은 현재까지와 같이 배터리 전문 제조사들이 시장을 주도할 것으로 보인다.

 

전기차 배터리는 단연코 동아시아 지역을 빼놓고 얘기할 수 없다. 글로벌 TOP10 업체가 모두 동아시아 업체다. 하락세를 겪고 있지만, 기존 배터리 강자의 명예회복을 시시탐탐 노리는 일본, 자국 시장의 팽창을 등에 업고 무서운 속도로 성장하는 중국, 그리고 우리나라, 3국의 업체들이 그 주인공이다.

 

그중에서도 우리나라의 배터리 제조 3사, LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온(전 SK이노베이션)의 배터리는 높은 기술력을 인정받으며 글로벌 시장에서 호성적을 거두고 있다.

 

 

국내 부동의 1위 넘어서 글로벌 1위로, LG에너지솔루션

 

 

LG에너지솔루션은 LG화학의 전지사업본부가 작년 12월 분사해 나온 회사로, 명실상부한 글로벌 배터리 시장의 리더다. 최근 중국의 배터리 제조사 CATL이 자국 시장을 중심으로 급부상하기 전까지 압도적인 점유율로 글로벌 1위를 기록하고 있었다.

 

LG에너지솔루션이 주력하고 있는 배터리는 파우치형 배터리다. 파우치형 배터리는 배터리 소재를 필름으로 패키징한 형태로, 원통이나 각과 같은 케이스를 사용하지 않기 때문에 면적당 에너지 효율이 높다. 제조 공정이 비교적 복잡하고 고객 맞춤형 생산이 많기 때문에 생산 원가가 높은 편이고, 열관리가 쉽지 않다는 특징이 있다.

 

LG에너지솔루션은 최근 파우치형 배터리에 주류인 3원계 양극재가 아닌 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 4원계 양극재를 적용했다. 배터리 4대 핵심소재 중 하나인 양극재는 배터리 용량과 출력을 좌우하는 소재로, 양극재 소재 중 니켈의 비중을 높이면 에너지 밀도가 높아져 1회 충전 시 주행거리가 늘어난다.

 

NCMA 양극재 배터리는 니켈 비중이 90% 이상인 배터리로, LG에너지솔루션은 전기차용 NCMA 배터리의 생산 비중을 높여 타 제조사들과 기술 격차를 벌린다는 계획이다.

 

올해 1월부터 8월까지 전 세계에 등록된 전기차를 대상으로 집계한 결과, LG에너지솔루션 배터리 사용량은 39.6GWh, 점유율로 따지면 전체 시장의 약 26.6%다. 40.7GWh로 27.3%의 점유율 차지한 CATL과 미세한 차이로 1위 다툼 중이다.

 

LG에너지솔루션은 우리나라의 현대자동차·기아뿐 아니라 유럽의 폭스바겐, 르노, 볼보, 아우디, 미국의 GM, 포드 등 전 세계 완성차 업체에 고루고루 전기차 배터리를 공급하고 있다.

 

이차전지 시장조사 기관 SNE리서치에 따르면 올해 8월까지 집계된 LG에너지솔루션의 글로벌 전기차 배터리 사용량은 전년 기간과 비교해 2.5배 가량 급증했는데, 테슬라 모델Y, 폭스바겐 ID.4, 포드 머스탱 마하-E 등 전기차 모델의 판매 호조가 LG에너지솔루션의 성장세를 이끌었다는 분석이다.

 

한편, LG에너지솔루션은 지난 10월, 글로벌 4위 완성차 업체인 스텔란티스와 북미 지역에 연간 40GWh 규모의 전기차 배터리 합작법인을 설립키로 하고, 양해각서를 체결했다. 합작법인에서 생산되는 배터리는 스텔란티스의 미국, 캐나다, 멕시코 공장에 공급돼 스텔란티스 산하 브랜드의 차세대 전기차에 탑재될 예정이다.

 

LG에너지솔루션은 스텔란티스와의 합작법인 설립으로 2025년까지 북미지역에서만 150GWh의 배터리 생산능력을 확보하게 됐다. 현재 미시건주에 독자 공장이 있으며 GM과의 합작법인 1공장(35GWh)은 오하이오주에서 가동 중이고, 2공장(35GWh)은 현재 테네시주에 건설중이다.

 

‘안전, 또 안전’ SK온

 

 

지난 10월 SK이노베이션의 배터리 사업을 물적 분할한 신설 법인 SK온이 공식 출범했다. SK이노베이션은 모그룹이 전기차 배터리에 본격적으로 투자를 확대하기 시작한 2017년 이후, 매년 2배 이상의 매출 성장세를 기록하며 빠른 속도로 성장해 왔다. 특히 최근 글로벌 시장에서 연간 누적 배터리 사용량으로 삼성SDI를 제치고 5위에 오르면서 배터리 사업에 탄력이 붙었다는 평가를 받고 있다.

 

SK온도 파우치형 배터리에 주력하고 있다. SK온 배터리만의 특징이라면, 정보전자소재 사업 계열사인 SK아이이테크놀로지가 제조한 분리막에 있다. 분리막은 배터리의 핵심 소재로 양극과 음극 사이에 위치하는 투과성 막이다.

 

분리막이 얇으면 얇을수록 전력을 만들어내는 이온이 양극과 음극 사이를 활발하게 이동하면서 배터리 출력이 높아지고 충전 속도가 빨라진다. SK아이이테크놀로지의 독자 기술을 통해 만들어진 분리막은 머리카락의 25분의 1 수준인 5마이크로미터의 얇은 두께를 자랑한다.

 

SK온은 제조 공정에서 분리막을 쌓을 때 자체 기술인 ‘Z폴딩’ 기법을 사용한다. Z폴딩은 분리막을 지그재그로 쌓아 배터리 셀 스트레스를 최소화하고 균일하게 적층하는 기법이다. 분리막이 양극과 음극 사이를 완전히 포개는 형태로 감싸, 테두리 부분에서 양극과 음극이 접촉될 수 있는 가능성을 원천적으로 줄여 화재 가능성을 차단하고 안전성을 높인다.

 

또한 배터리 셀 수십 개가 줄지어 있는 배터리 팩 안에서, 일부 셀에 화재가 발생했을 때 주변 셀로 열이 번지지 않게 하는 ‘열확산 안전성’ 기술을 적용해 화재에 민감한 전기차의 안전성 문제를 잡는다.

 

SK온은 현대자동차그룹을 비롯해 베이징자동차 그룹, 다임러 그룹, 폭스바겐 그룹 등 다양한 고객사에 배터리를 공급하고 있다. 올해 1월부터 8월까지 글로벌 전기차 시장의 SK온 배터리 사용량은 8.8GWh로, 전년 대비 140.9%라는 성장률을 실현했는데, 이는 기아의 니로 EV와 현대자동차의 아이오닉 5, 메르세데스 벤츠 GLE PHEV 등의 판매 증가에 따른 것이라는 분석이다.

 

지난 5월 SK온(당시 SK이노베이션)은 미국 완성차 회사 포드와 전기차 배터리 생산을 위한 합작법인 ‘블루오벌에스케이(BlueOvalSK)’를 설립키로 하고, 양해각서를 체결했다. 양사는 2020년대 중반부터 미국에서 연간 약 60GWh 규모의 전기차 배터리 셀, 모듈 등을 생산하기로 결정했으며, 이후 생산 확대 여부에 대해서는 추가 검토하기로 했다.

 

블루오벌에스케이는 연산 60GWh의 규모의 배터리를 생산하기 위해 약 6조원 규모를 투자할 계획이다. 업계에서는 SK온이 포드와의 합작으로 2025년 이후 190GWh에 달하는 생산능력을 갖추게 될 것으로 전망하고 있다.

 

눈부신 차세대 배터리 삼성SDI

 

 

지난 3월, 유럽 완성차 업계 부동의 강자 폭스바겐이 자사 전기차에 각형 배터리를 적용하겠다고 발표했다. 해당 발표 이후, 각형 배터리를 주로 생산해 오던 중국 업체들과 함께 웃은 국내 업체가 있었는데, 바로 삼성SDI다.

 

삼성SDI는 각형 배터리에 주력해 왔다. 각형 배터리는 이름처럼 배터리 소재를 사각형 형태의 알루미늄 틀로 패키징한 배터리다. 사각형으로 소재를 적층해 공간을 활용하기 때문에 상대적으로 낭비되는 공간이 적어 효율적이다. 내구성이 좋아 다른 배터리에 비해 외부 충격으로부터 안전하고 대량 생산이 용이하며, 탑재 공정이 편리하다. 그러나 무게가 많이 나가고 열이 잘 방출되지 않는다는 약점도 있다.

 

업계에 따르면, 삼성SDI는 자사 최신 기술이 적용된 시그니처 배터리 GEN.5의 양산에 지난 9월 본격 돌입했다. 혁신적인 소재 기술과 셀 제조 공정이 적용돼 에너지 밀도와 주행거리가 늘어났을 뿐 아니라, 재료비가 약 20% 이상 절감된 것으로 알려졌다.

 

GEN.5에는 기존에 쓰던 니켈 함량 60% 안팎의 NCM(니켈·코발트·망간) 양극재 대신 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 양극재가 적용됐는데, 해당 양극재는 니켈 함량이 88%에 달하는 것으로 알려졌다. 알루미늄 소재와 특수 코팅 기술이 더해지면서 배터리 열화가 최소화돼 주행거리와 안전성을 모두 높였다는 평가다.

 

음극에는 삼성SDI의 SCN(실리콘 탄소 나노복합재료) 기술이 적용됐다. 원래 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재보다 용량이 10배 가량 높고 충전시간도 짧지만, 충방전 중 부피 변화가 커서 적용이 까다롭다. SCN 기술은 실리콘 소재를 머리카락 두께의 1000분의 1 크기로 나노화한 후 흑연과 혼합하는 방식으로 실리콘 음극재를 만들어 내는 기술이다. 삼성SDI는 이를 통해 부피 팽창 부작용을 해소할 수 있다고 설명했다.

 

올해 1월부터 8월까지 집계된 글로벌 전기차 시장 삼성SDI 배터리 사용량은 7.9GWh다. BYD와 SK이노베이션에 밀려 순위가 두 계단 내려앉지만, 주행거리가 획기적으로 개선된 각형 배터리 GEN.5가 양산에 들어간 만큼, 폭스바겐을 비롯한 완성차 업체들의 수주가 이어질 전망이다.

 

삼성SDI는 BMW, 아우디, 폭스바겐, 포르쉐 등 전기차 브랜드에 배터리를 공급하고 있다. 헝가리 공장에서 양산되기 시작한 GEN.5는 끈끈한 파트너십을 이어오던 BMW에 납품된다. 연내 출시 예정으로 알려진 전기 SUV iX와 내년 초 출시 예정인 전기 세단 i4에 탑재될 것으로 관측된다.

 

BMW는 중장기 전략으로 2030년까지 전기차 판매 비중을 50% 이상으로 늘리고 향후 10년간 전기차 1000만 대를 공급하겠다고 밝혔는데, 삼성SDI의 배터리 출하량 증가가 기대되는 부분이다.

 

삼성SDI는 지난달 스텔란티스와 합작해 미국에 전기차 배터리 셀·모듈 생산공장을 설립하겠다고 발표했다. 삼성SDI는 합작사 설립을 계기로 북미 시장 공략에 속도를 낸다는 방침이다. 합작법인은 2025년 상반기부터 미국에서 연산 23GWh 규모로 전기차 배터리 셀과 모듈을 생산할 계획이다.

 

한편, 삼성SDI는 양극 니켈 함량을 90% 이상까지 끌어올린 하이니켈 Gen.6 배터리를 개발 중이다. 차세대 배터리 전고체 배터리의 경우, 오는 2027년 양산을 목표로 개발 중이고 배터리 제품 다변화를 위해 원통형 배터리 기술 개발에도 힘쓰고 있는 것으로 알려졌다.




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