What’s next for batteries

What’s Next 시리즈 #2: 2023년 배터리 산업 전망

2023년에는 미국 정부의 자국 내 자금 지원으로 새로운 전기차용 배터리 개발 및 배터리 제조가 활성화될 것으로 보인다.

전 세계 배터리 사용량은 매년 증가하고 있다. 전기차는 2022년 전 세계 자동차 판매량의 10%를 넘어섰고 2030년경에는 30%에 이를 것으로 예상된다.

전 세계의 배터리 관련 정책은 이러한 성장세를 더욱 가속화하고 있다. 최근 미국은 배터리 제조 및 전기차 구매를 활성화하기 위해 수십억 달러를 지원하는 내용의 기후 법안을 발표했다. 유럽연합과 미국의 여러 주에서는 2035년부터 석유 자동차의 판매를 금지하는 법안이 통과됐다.

이러한 변화를 뒷받침하기 위해서는 품질이 더 우수하면서 가격은 저렴한 배터리가 대량 생산되어야 한다.

오늘날 대부분의 전기차는 리튬이온 배터리로 작동한다. 이 배터리는 10년 넘게 사용되어 왔고 노트북 및 휴대폰에도 사용된다. 배터리 기술은 오랜 기간 기술 개발을 통해 가격을 낮추고 성능을 향상시키는 데 성공했다. 덕분에 현재 전기차의 가격은 석유 자동차의 가격과 비슷해졌으며 1회 충전만으로 수백 마일을 운행할 수 있다. 리튬이온 배터리는 풍력 및 태양열 발전처럼 간헐적으로 운영되는 신재생 전력원에서 에너지 공급량의 변동성을 낮추는 전력망(grid)의 전기 저장 장치를 포함하여 새로운 적용 분야를 모색하고 있다.

하지만 배터리는 여전히 많은 한계를 안고 있다. 대학 연구소와 기업들은 용량을 늘리고 충전 시간을 단축하며 비용을 절감하는 등 배터리 기술을 개선할 수 있는 방안을 고민하고 있다. 목표는 저렴한 전력망용 저장 장치를 제공하고 전기차가 1회 충전으로 훨씬 더 먼 거리를 이동할 수 있도록 배터리 가격을 크게 낮추는 것이다. 더불어 코발트, 리튬 등 핵심 배터리 소재의 공급 불안정에 대한 우려 속에 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 기술을 개발하려는 시도도 본격화되고 있다.

전기차 및 신재생 전력에 대한 수요가 급증하고 배터리 개발 경쟁이 치열한 가운데 한 가지 확실한 것은 배터리가 신재생 에너지로의 전환 과정에서 핵심적인 역할을 하리라는 것이다. 2023년에 예상되는 주요 변화는 다음과 같다.

획기적인 발상 전환

전기차 배터리에 대한 새로운 시도 중 일부는 2023년에 어느 정도 성과를 거둘 수 있지만, 상업화까지는 더 오랜 시간이 걸릴 것으로 보인다.

올해를 주목할 만한 기술 중 하나는 전고체 배터리(solid-state battery)라고 불리는 기술이다. 리튬이온 배터리와 관련 화학 반응에는 전하가 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 액체 전해질이 사용되지만, 전고체 배터리는 이러한 액체 전해질을 세라믹이나 다른 고체 물질로 대체한다.

전고체 배터리는 이러한 변화를 통해 작은 크기 안에 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 잠재적으로 전기차의 1회 충전 주행 거리 확대에도 기여할 수 있다. 전고체 배터리는 전하의 이동 속도를 높여 충전 시간을 단축할 수도 있다. 또한 기존 배터리에서는 전해질에 가연성 용매가 일부 사용되기 때문에 전고체 배터리를 찬성하는 측에서는 전고체 배터리가 화재 위험을 낮춰 안전성을 높인다고 주장한다.

전고체 배터리는 다양한 화학물질이 사용될 수 있지만, 현재로서는 리튬 금속의 상용화 가능성이 가장 높다고 평가된다. 가령, 미국의 전 고체 배터리 제조 스타트 업인 퀀텀 스케이프(Quantumscape)는 리튬 금속 기술 개발에 전념하고 있으며 2020년 기업 상장 이전에 이미 수억 달러의 자금을 조달했다. 퀀텀 스케이프는 폭스바겐(Volkswagen)과 2025년까지 차량용 전고체 배터리를 납품하는 내용의 계약을 체결했다.

그러나 배터리를 완전히 개조하는 데에는 어려움이 많은 것으로 밝혀졌으며 리튬 금속 배터리의 제조 문제와 함께 시간 경과에 따른 성능 저하 문제도 우려되고 있다. 퀀텀 스케이프는 지난 12월 말 테스트용 배터리 샘플을 자동차 업계의 파트너사에 전달했다고 발표했다. 이는 차량용 전고체 배터리 개발 과정의 핵심 단계에 해당한다. 미국의 스타트업 솔리드 파워(Solid Power)를 포함한 다른 전고체 배터리 업체들도 배터리 제작 및 테스트를 진행 중이다. 해당 업체들이 올해 중대한 성과를 거둘 수도 있겠지만, 2023년 안에 전고체 배터리로 운행되는 차량을 보기는 어려울 것으로 보인다.

주목할 만한 신기술은 전고체 배터리뿐만이 아니다. 나트륨 이온 배터리 역시 현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리로부터의 전환을 꾀하고 있다. 나트륨 이온 배터리는 액체 전해질을 포함하는 리튬이온 배터리와 구조가 유사한데 리튬 대신 나트륨을 주요 화학성분으로 사용한다. 중국의 배터리 대기업 CATL은 2023년 나트륨 이온 배터리를 양산할 것으로 알려졌다.

나트륨 이온 배터리가 더욱 뛰어난 성능을 제공할지는 불투명하지만, 리튬이온 배터리에 비해 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 나트륨을 핵심 소재로 사용하기 때문에 생산 비용을 낮출 수 있다. 그러나 나트륨 이온 배터리가 전기차의 1회 충전 주행거리 및 충전 시간에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 있을지는 여전히 미지수이다. 이러한 이유로 미국의 나트론(Natron)을 포함하여 나트륨 이온 배터리 기술을 개발 중인 여러 회사들은 고정형 저장 장치 또는 전기자전거, 스쿠터와 같은 마이크로 모빌리티(micromobility) 장치처럼 비교적 단순한 장치에 사용되는 배터리를 우선 개발하는 데 집중하고 있다. 

에너지 부문 리서치 회사인 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(BloombergNEF)에서 에너지 저장 장치 부문을 총괄하고 있는 세키네 야오이(Yayoy Sekine)는 오늘날 전력망용 고정형 저장 장치 개발을 목표로 하는 배터리 시장 규모가 전기차 배터리 시장의 약 10분의 1에 불과하다고 말한다. 그러나 풍력이나 태양열처럼 주요 재생 가능한 전력원의 에너지 공급은 유동적이고 배터리를 이용하면 에너지를 저장해 두었다가 필요할 시점에 사용할 수 있기 때문에 전기 저장 장치에 대한 수요가 늘고 있다.

리튬이온 배터리는 오늘날 일반적으로 사용되고 있는데 고정형 저장 장치로는 적합하지 않다. 또한 전기차용 배터리는 크기, 무게 및 속도 면에서 발전을 거듭하고 있지만, 고정형 저장 장치의 주된 목표는 비용 절감이다. 전력망용 저장 장치의 경우, 크기와 무게는 크게 중요하지 않으며 이는 다양한 화학물질을 활용할 수 있음을 의미한다.

고정형 저장 장치 부문에서 가장 주목받고 있는 물질은 철이며 이와 관련해 올해 두 업체의 활약이 기대된다. 폼 에너지(Form Energy)는 수성 전해질을 사용하며 기본적으로 가역적 녹슬기(reversible rusting)를 활용하여 에너지를 저장하는 금속 공기 배터리를 개발하고 있다. 폼 에너지는 최근 웨스트버지니아주 웨이튼(Weirton)에 7억 6천만 달러 규모의 제조 시설을 설립한다고 밝혔으며 해당 건물은 2023년 착공할 예정이다. 또 다른 회사인 ESS는 유사한 화학 반응을 토대로 또 다른 철 배터리를 개발하고 오리건주 윌슨빌(Wilsonville)에 있는 본사에서 배터리 제조를 시작했다.

표준 배터리의 세대교체

리튬이온 배터리는 성능과 가격 면에서 크게 개선되었지만, 연구자들은 여전히 성능 강화 및 비용 절감을 위한 추가 기술 개발에 힘쓰고 있다.

배터리 재료의 불안정한 가격 역시 기술 개발을 부추기고 가격 변동성은 기업이 배터리에 사용되는 화학 재료를 바꾸는 원인이 되기도 한다. 세키네는 “결국에는 비용이 핵심”이라고 말한다.

양극(cathode)은 일반적으로 배터리 부품 중 가장 가격이 비싼데 현재 전기차 배터리에서는 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(NMC) 양극재가 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 이 세 가지 재료는 리튬과 마찬가지로 가격이 비싸기 때문에 그중 일부의 투입량을 줄여 비용을 절감할 수 있다.

올해에는 일부 리튬이온 배터리에 사용되는 저가의 양극 재료인 리튬인산철(lithium iron phosphate, LFP)이 또 다른 대안으로 부상할 수도 있다.

최근에는 LFP 화학반응 및 제조 방식의 개선을 통해 배터리 성능이 향상되어 기업들도 LFP 기술을 도입하려는 움직임을 보이고 있다. 2018년 글로벌 전기차 배터리 시장에서 약 10%였던 LFP 시장 점유율은 2022년 약 40%로 빠르게 성장했다. 테슬라(Tesla)는 이미 일부 차량에 LFP 배터리를 사용하고 있으며 포드(Ford)와 폭스바겐과 같은 자동차 회사들은 이 화학물질이 사용된 여러 전기 자동차 모델을 곧 출시할 계획이라고 밝혔다.

현재는 주로 양극의 화학작용을 중심으로 배터리 연구가 이뤄지고 있지만, 음극 관련 기술 개발도 곧 진행될 예정이다.

오늘날 리튬이온 배터리는 양극 재료와 관계없이 대부분 음극에 흑연을 사용하여 리튬 이온을 유지한다. 그러나 실리콘과 같은 대체재를 사용할 경우 에너지 밀도와 충전 속도가 높아질 수 있다.

실리콘 음극에 대한 연구는 수년 동안 진행되어 왔지만, 기존 실리콘 음극은 짧은 수명으로 인해 제품에 활용하기가 어려웠다. 그러나 현재 기업들은 이 재료의 생산량을 늘리기 시작했다.

2021년 스타트업 실라(Sila)는 웨어러블 피트니스 장치의 배터리에 사용될 실리콘 음극을 생산하기 시작했다. 실라는 최근 워싱턴주의 모지스레이크(Moses Lake)에 설립하는 제조 시설에 대한 보조금으로 미국 에너지부(Department of Energy)로부터 1억 달러를 지원받았다. 이 공장은 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)와 제휴하여 2025년부터 전기차 배터리용 소재를 생산할 예정이다.

다른 스타트업들도 음극 소재로 실리콘과 흑연을 결합하는 작업을 진행 중이다. GM과 손잡은 원디 배터리 사이언스(OneD Battery Sciences)에 이어 사이오닉 에너지(Sionic Energy)도 올해 상용화를 위한 추가 행보를 보이고 있다.

정책의 파급 효과

2022년 말 통과된 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act, IRA)에서는 전기차 및 배터리 제조 부문에 대한 수십억 달러 규모의 지원을 포함하여 기후 및 청정에너지를 위한 자금으로 약 3,700억 달러를 배정했다. 여러 배터리 업체를 설립하고 현재는 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 소재를 연구하고 있는 옛밍 창(Yet-Ming Chiang)은 “모두가 IRA에 주목하고 있다”라고 말한다.

IRA는 미국의 배터리 제조업체에 대출 및 보조금을 제공하여 생산 용량을 늘릴 것이다. 또한 IRA에 따른 전기차 세금 공제 혜택은 자동차 제조업체들이 미국 또는 자유 무역 대상국에서 배터리 재료를 조달한 후 북미에서 배터리를 제조할 유인을 제공한다. IRA의 자금 지원과 전기차 세금 공제에 대한 제한된 요건으로 인해 자동차 제조업체는 계속해서 미국에서 제조 역량을 높힐 의사를 밝히고 재료를 조달하기 위한 새로운 방안을 강구할 것이다.

이러한 상황은 공통적으로 리튬, 코발트, 니켈을 포함한 리튬이온 배터리의 핵심 재료에 대한 수요가 점점 증가할 수 있음을 암시한다. IRA 혜택으로 발생할 수 있는 시나리오 중 하나는 이미 주목받기 시작한 배터리 재활용에 대한 관심 증가이다. 가까운 시일 내에 중고 전기차가 다량 발생하여 일부 핵심 재료에 대한 재활용 수요를 충족시킬 가능성을 적으나 배터리 재활용에 대한 논의는 점차 활기를 띠고 있다.

기존에는 CATL을 비롯한 중국 업체들이 배터리 재활용에 앞장서 왔지만, 올해에는 북미와 유럽 등 다른 주요 전기차 시장에서 상당한 진전이 있을 수 있다. 네바다주에 위치한 레드우드 머티리얼즈(Redwood Materials)와 토론토에 본사를 둔 리-사이클(Li-Cycle)은 리튬과 니켈과 같은 주요 배터리 금속을 분리하고 정제하여 배터리에 재사용하기 위한 시설을 짓고 관련 연구에 몰두하고 있다.

리-사이클은 2023년에 주요 재활용 시설에서 시운전을 시작할 예정이다. 레드우드 머티리얼즈는 네바다주 리노(Reno) 외곽에 위치한 공장에서 첫 번째 제품인 구리 포일을 생산하기 시작했으며 최근에는 올해 사우스캐롤라이나주 찰스턴(Charleston)에 두 번째 공장을 설립할 계획을 발표했다.

IRA의 막대한 자금 지원과 더불어 전 세계적으로 전기차 관련 배터리에 대한 수요 상승을 이끄는 정책들이 발표되는 가운데 2023년에 배터리 부문이 어떻게 변화할지 귀추가 주목된다.

미리보기 2회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.