일론 머스크, 3년 안에 전기차 배터리 가격 56% 인하 발표… 한국 기업 ‘하이니켈’ 배터리 개발에 집중

▎ 사진:유튜브 캡쳐

미래에 당신이 차를 산다면 어떤 차를 살 것인가? 1908년 포드의 컨베이어 벨트에 의한 대량생산 방식의 내연기관차가 100여 년간 지구에 존속했다. 내연기관차는 기후변화 주범으로 점차 역사 속으로 사라질 운명에 처해있다. 당신은 하이브리드카와 전기자동차의 중간 단계인 플러그인 하이브리드를 생각할 수도 있겠다. 전기모터와 석유엔진을 함께 사용해 달리는 자동차가 모터 크기에 따라 몇 가지 출시되어 있을 것이다. 아니면, 당신은 완전한 전기차와 수소차를 사야 한다. 그때쯤이면 골치 아픈 충전소 문제도 어느 정도 해결되어 있을 것이다.

2019년 국제환경단체 그린피스는 현대·기아차 양재사옥에 대형 광고판을 걸고 양사가 내연기관차를 포기할 것을 촉구하는 캠페인 메시지를 붙였다. 내용은 ‘내연기관 이제 그만’이었다. 그도 그럴 것이 지난 30년간 무분별한 화석연료의 사용으로 인해 지구 평균 온도가 대략 1도 상승했다. 지금과 같은 사용 방침을 유지한다면 2100년 지구의 평균 온도는 4도 이상 증가할 것이다.

전기차 배터리 시장 놓고 한·중 기업 치열한 경쟁

▎LG화학과 GM이 함께 개발한 차세대 전기차 플랫폼-배터리 시스템 ‘얼티엄’. / 사진:GM

각 정부의 환경규제는 이제 피할 수 없는 사실이 되어 버렸다. 미국에서 바이든이 대통령이 된다면 분열된 기후동맹은 다시 이어질 것이다. 유럽연합은 2021년부터 내연기관 자동차를 판매하면 대당 800만원의 벌금을 부과하기로 했다. 2030년부터 내연기관 자동차의 판매를 금지할 방침이다. 노르웨이의 경우 2025년, 영국의 경우 2035년, 프랑스의 경우 2040년부터 내연기관 자동차 판매를 금지한다. 서울시 역시 2035년부터 내연기관 자동차 신차 등록을 금지하기로 했다. 서울 시내 일부 지역은 내연기관 자동차 운행이 불가능하다.

그래서 당신이 구매할 차의 대세는 전기차와 수소차인데 여러 기술과 가격 측면에서 전기차가 앞선다. 같은 맥락에서 현대자동차는 2030년부터 내연기관 기반 신차출시를 중단하고, 전기차를 주력으로, 수소전기차 등 친환경차 위주의 신차만 내놓기로 했다. 현대차는 2025년 글로벌 전기차와 수소차 시장에서 3위로 도약한다는 비전을 제시했다. 현대자동차는 2025년 전기차 56만대(기아차는 2026년 50만 대), 수소차 11만 대를 판매 목표로 발표했다.

중국이 전기차 부문.에서 기술과 가격 경쟁력은 우리보다 우위에 있다. 그러면 이차전지 배터리는 어떤가?

중국 배터리 업체는 자국 정부의 강력한 보조금 정책에 힘입어 한국 업체를 추격하고 있다. 중국은 세계 최대 전기차 시장을 구축한다는 야심을 보여주고 있다. 실제 세계 전기차 배터리 점유율 1위를 두고 한중간 경쟁이 치열하다. 중국 CATL은 LG화학을 제치고 지난 8월 다시 세계 전기차 배터리 점유율 1위(26.1%)를 차지했다. 8월 배터리 사용량은 CATL이 2.8GWh로 LG화학(2.4GWh)을 앞섰다. CATL이 월간 점유율 1위로 다시 역전한 것은 6개월 만이다.

이 와중에 9월 23일 테슬라가 드라이브 스루 형식으로 배터리데이 행사를 개최했다. 핵심 내용은 전기차 중 원가 비중이 가장 큰 배터리 원가를 낮춤으로써 보급량을 늘리겠다는 거다. 테슬라가 유럽 내 전기차 시장 점유율을 빠르게 끌어올리기 위해선 가격 경쟁력이 필수다. 전기차에서 최대 50%까지 원가를 차지하는 배터리 가격을 낮추지 않으면 테슬라의 꿈은 이루지 못할 것이다. 이게 가능할지 꼼꼼히 점검해야 한다.

일론 머스크는 3년 안에 현재의 배터리 생산 가격을 56% 낮춘다고 발표했다. 현재 킬로와트(kWh)당 130 달러 내외인 전기차 배터리 가격을 57 달러대까지 끌어 내린다는 계획이다. 배터리 가격은 갈수록 떨어질 수밖에 없다. 2030년까지 배터리 가격이 kWh당 60달러대로 떨어질 것으로 보는 시각이 대세라 일론 머스크의 의견은 아직은 희망사항이다.

여하튼 신종 코로나바이러스 감염증(코로나 19) 영향으로 위축됐던 중국 전기차 시장이 정상화되고 있다. 그 덕분에 CATL 배터리 사용량이 증가하는 것으로 보인다. 지난 1월에서 8월까지 누적 점유율만 보면 LG화학이 24.6%(사용량 15.9GWh)로 1위이다. 삼성SDI(6.3%·4위), SK이노베이션(4.2%·6위)도 상위권으로 선방하고 있어 K 배터리의 위세가 코로나 19 와중에도 빛난다. 세계 전기차 배터리 시장에서 한국 3사의 점유율은 35.1%로 지난해 같은 기간보다 두 배 이상 상승해 고무적이다.

그렇지만 단기적으로 중국 시장 회복세를 고려하면 CATL이 누적 점유율 1위까지 탈환할 가능성이 제기된다. 경쟁국 업체들이 한국 배터리 업체들을 노골적으로 견제하는 모습도 부담이다. 일론 머스크는 배터리 효율 향상에 집중하겠다고 밝혔다. 양극재는 하이니켈로, 음극재는 자체 기술을 적용한 일명 ‘테슬라 실리콘’으로 배터리 성능을 극대화하겠다는 전략이다. 그렇지만 공정 혁신이나 소재 혁신 모두 쉬운 게 아니다.

일론 머스크가 말한 것과 말하지 않은 것

▎지난해 3월 SK이노베이션이 미국 조지아주 전기차 배터리 공장 부지 ‘첫삽뜨기’ 행사를 열었다. / 사진:SK이노베이션

2019년까지 테슬라의 미래를 두고 투자자의 의구심은 컸다. 하지만 모델 3를 중심으로 판매량을 높였고, 코로나 19 영향이 컸던 2020년 1분기와 2분기에도 예상 판매량을 뛰어넘으며 대량생산 가능성과 수익성을 증명했다. 테슬라에 대한 인식이 완전히 바뀌었다. 호불호가 갈리나 테슬라의 최고경영자 일론 머스크는 스타다. 테슬라는 전기차 핵심 부품 외에 소프트웨어까지 자체 플랫폼으로 만든다.

배터리데이와 관련하여 소문난 잔치에 먹을 것 없다는 이야기도 상당했지만, 행사의 의미가 없었던 것은 아니다. 서울-대전-대구-부산을 찍고, 다시 서울로 상행하는 전기차는 당장은 불가능한가 보다. 투자자의 기대와 달리 그런 전기차가 가능한 100만 마일(160만 km) 배터리나 전고체 배터리는 발표되지 않았다. 수명 160만km는 기존 배터리보다 수명을 약 5배 이상 늘린 수준이다.

테슬라가 독자적 배터리 생산 생태계 구축을 선언할 것으로 예상했지만, 기존 배터리 업체인 LG화학, 중국 CATL 등의 배터리셀 구매량을 늘릴 것이라고 발표했다. 테슬라 배터리는 100GW(1000억W) 수준인데, 2030년까지 3TW(3조W) 배터리를 생산할 목표를 제시했다. 목표와 현재의 괴리를 생각하며 누군가는 회의적으로 볼 수도 있겠다.

앞서 2020년 7월 테슬라는 독일 브란덴부르크 인근 그륀하이데 공장에서 배터리 셀을 직접 제조한다는 계획을 수립했다. 모두 테슬라가 배터리 조달 전략을 어떻게 전개해 나갈지 관심이 쏠렸다. 테슬라는 배터리 원가를 낮춰 전기차 공급을 획기적으로 늘릴 계획이다. 현재 kWh당 130 달러 내외인 배터리 가격을 2022년 57 달러대까지 반값으로 끌어내릴 계획이다. 배터리 원가 절감을 위한 다양한 기술 도입도 언급했다. 기존보다 큰 4680 배터리(지름 46mm x 길이 80mm의 새로운 배터리) 개발, 배터리 담는 상자 배터리 모듈 폐지, 저렴한 배터리 음극과 양극 소재 마련 등이다. 테슬라는 4680 배터리로 에너지 밀도를 5배, 출력 6배, 주행거리 16%를 늘리고자 한다. 테슬라는 기존에 사용하고 있는 원통형 배터리를 개선해 최적화하기로 했다. 배터리셀의 기본적인 형태는 각형, 원통형, 파우치형이다. 테슬라를 제외한 제조사들은 주로 각형 배터리를 쓰고 있다. 일론 머스크의 말처럼 3년 이내 ‘반값 배터리 실현’ 후 2만5000 달러 전기차가 생산될지 두고 볼 일이다.

전고체 배터리는 전기를 흐르게 하는 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 액체가 아닌 고체로 된 차세대 2차전지다. 현재 가장 많이 사용되는 2차전지는 리튬이온 배터리다. 액체 전해질로 에너지 효율이 높지만, 수명이 상대적으로 짧고 전해질이 가연성 액체여서 높은 온도에서 폭발할 위험이 크다.

이에 반해 전고체 배터리는 전해질이 고체라 충격에 의한 액체의 누수 위험도 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮아 상대적으로 안전하다. 액체 전해질보다 에너지 밀도가 높고 충전 시간도 리튬이온 배터리보다 짧다. 대용량 구현이 가능해 완전하게 충전할 경우 전기차의 최대 주행거리를 큰 폭으로 늘릴 수도 있다. 전고체 배터리는 확장성이 높아 리튬이온 배터리를 대체할 기술로 주목받고 있으나, 고체 전해질의 경우 액체 전해질보다 전도성이 낮아 효율이 떨어지는 문제가 제기되고 있다.

배터리 비용 절감은 어떻게 가능할까?

테슬라는 2019년 전고체 배터리 개발업체인 맥스웰테크놀로지를 2억1800만 달러에 인수했다. 일론 머스크는 2020년 8월 트위터에 “3~4년 안에 훨씬 더 효율적인 배터리가 주류가 될 것”이라며 “현재 배터리보다 두 배의 전력을 제공할 수 있다”고 밝혔다. 이를 근거로 일각에서 이번 배터리데이에서 전고체 배터리 개발 여부나 기술을 공개할 것이라는 추측을 한 것이다. 아마도 전고체 배터리는 현재 리튬이온 배터리보다 저장용량과 출력과 관련하여 더 많은 연구가 필요한 실정인가 보다. 전고체 배터리 기술을 상용화한 경우는 아직 없다.

테슬라가 배터리데이에서 발표한 내용만으로도 테슬라의 경쟁력을 무시하기 힘들다. 테슬라는 배터리셀을 독자적 기술로 패키징해서 배터리팩을 만드는 회사임을 이전에 이미 선포했다. 이차전지 회사로 발돋움할 수 있을지 세간의 의구심이 있지만, 배터리 공장을 지어서 배터리를 직접 생산하겠다는 로드맵 자체를 완전히 무시하긴 어렵다. 테슬라가 공개한 대부분 기술은 아직 양산 검증을 위한 충분한 시간이 필요하지만 테슬라가 그동안 보여준 속도감 있는 실행력을 보면 경쟁사와 공급사에 위협적이다.

테슬라의 행보를 보면서 우리의 전기차나 이차전지 회사는 충분히 대비해야 한다. 현재 다수 완성차 업체들이 배터리 비용을 kWh당 100 달러 아래를 목표로 하고 있다. 그렇지만 테슬라를 제외하고 구체적인 방안을 제시한 완성차 업체는 없다. 기존 완성차 업체는 배터리 업체에 끌려간 모습이었다. 테슬라는 이번 행사에서 분명한 시간 계획을 밝히면서 전기차 배터리 수급경쟁에서 우위를 차지하려 했다.

테슬라의 전기차 저력을 좀 더 살펴보자. 2019년 전 세계 전기차 판매량 230만대 중 테슬라는 약 37만대를 판매했다. 이 중 순수전기차 공정으로 만든 전기차 판매량은 77만대다. 그 결과 테슬라의 순수전기차 실질 점유율은 50%나 된다는 점을 간과해서는 안 된다. 시장 선도자가 전기차 시장의 파이를 완전히 앗아갈 수 없지만, 테슬라가 가진 시장선점 효과를 무시할 수도 없다. 2040년이 되면 전 세계 자동차 시장에서 전기차 비중은 60% 정도로 추산된다. 테슬라는 이 중에서 얼마나 차지할까? 상당할 것이다.

물론 배터리 제조는 전기차 생산과 다를 수 있다. 20년 배터리 제조 기술을 자랑하는 LG화학도 2018년 1분기부터 폴란드에 신규 공장을 설립했다. 이후 정상 가동에 2년 이상의 시간이 필요했다. 이는 새로운 환경에서 공정변화와 인력 충원 같은 다양한 변수가 존재하기 때문이다. 테슬라의 계획보다 자체 배터리 생산이 늦어질 확률이 높다고 보는 것은 그래서 타당하다. 배터리데이를 통해 공개된 기술은 아직은 테슬라가 자체 플랫폼에 맞춘 새로운 규격을 개발하는 초기 단계로 보는 게 타당하다.

일론 머스크가 말한 반값 배터리가 유효한 것인가를 검증하는 것은 말처럼 쉬운 게 아니다. 그가 말한 공정이나 소재 혁신 모두 어렵기 때문이다. 혹자는 2030년 배터리 가격을 kWh당 60 달러대로 전망하는데, 이는 테슬라의 계획과 큰 차이가 있다. 테슬라가 어떤 차량을 2만5000 달러에 내놓을지 밝히지 않아 실효성에 대한 검증이 필요하다.

그간 업계에서 말한 소재 성능 개선을 보자. 양극소재는 배터리 전체 원가 중 25%를 차지하며 수명이나 출력 등 전지 전체의 성능 개선에서 가장 큰 비중을 차지한다. 흔히 NCM(NCMA) 라고 불리는 니켈, 코발트, 망간, (알루미늄)이 함유된 양극재에서 니켈 비중을 높이고 싶어도 함부로 그럴 수 없다. 최근 전기차, 에너지저장시스템(ESS) 등에 사용되는 중ㆍ대형 전지에 적용하는 니켈 함량을 70% 혹은 80% 이상으로 하는 하이 니켈(High Nichel) 양극소재가 개발되고 있다.

니켈 함량이 높을수록 주행거리는 늘어나는 반면 안정성은 저하된다. 테슬라는 하이니켈 양극 소재를 선호하는 것을 배터리데이에서 천명했으나 적절한 가격과 배터리의 안정성을 담보하기 위한 기술은 현재 진행형이다. 시중의 하이니켈계 양극소재는 입자를 단순히 뭉쳐놓은 형태의 다결정 양극 소재로 수명이 짧고, 안정성에 문제가 존재한다. 많은 양극재 소재 기업이 이 분야의 기술 혁신에 사활을 걸고 있다.

예를 들어 LG화학은 시장 지배력 확대를 위해 독자적으로 소재 기술을 개발하거나 국내 소재 업체와 협업해 하이니켈 양극재를 개발하겠다는 의지를 보여줬다. 니켈 함량을 90%까지 높이고 코발트 비중을 5%까지 낮춰서 주행거리는 늘리고 안전성을 강화한 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 배터리를 개발 중이다. 2021년 양산할 계획이다.

삼성SDI 역시 2021년 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리 개발을 완료할 계획이다. NCA 배터리는 삼성SDI의 독자 소재가 접목된 배터리다. 니켈 함량을 88%까지 높여 에너지 밀도를 업계 최고 수준으로 끌어올렸다. 이 배터리는 기존 NCM 배터리 원료로 망간 대신에 알루미늄을 넣어 안전성 문제를 해결했다. 삼성SDI는 NCA 배터리를 독일 BMW 신차에 처음으로 탑재한다.

후발주자인 SK이노베이션은 하이니켈 NCM811(니켈 80%·코발트 10%·망간 10%), NCM구반반(9 ½ ½) 제품으로 세계 3위를 차지하겠다는 야심만만한 계획을 하고 있다. 양극재 전문업체로부터 NCM 양극재를 공급받아 배터리 제조 원가를 절감하고, 안정적 수익구조를 구축할 예정이다. SK이노베이션이 국내에서 유일하게 파우치형 NCM 배터리로 니켈 함량을 끌어 올리고 있는 것도 배터리 자체 제조기술에 양극 소재 업체 간 큰 시너지를 내고 있다는 게 업계 분석이다.

테슬라의 배터리데이 발표를 계기로 배터리 업체들은 하이니켈 배터리 생산능력을 키워 기술 격차를 유지하고, 전고체 배터리 등 차세대 배터리 개발에 속도를 올려 글로벌 시장 점유율 격차를 크게 벌려 나아가야 한다. 하이니켈에서 니켈과 리튬의 불순물(30,000ppm)이 높아 이를 증류수로 세척하는 습식공정은 비용과 성능에서 건식공정보다 못하다. 울산 소재 신규 기업 에스앰랩은 건식공정을 통해 단가도 낮추고 성능을 높이기 위해 노력하고 있다.

자율주행 플랫폼 주도권 선점 경쟁 치열

테슬라는 미래 차 분야의 안드로이드 생태계를 꿈꾸고 있다는 생각이 든다. 물론 한국을 비롯한 많은 나라가 전기차 자체 생산플랫폼을 구축해 테슬라에 도전장을 내밀고 있다. 독일 완성차 업체들이 테슬라를 따라잡기 위해 노력하고 있으며, 매우 빠르게 테슬라를 따라잡고 있다. 세계 최대 완성차 업체인 폴크스바겐, 도요타는 전기차·자율주행차 분야에서 테슬라에 뒤처져 있음을 인정하고 있지만, 결과는 두고 볼 일이다.

테슬라는 전기차와 함께 자율주행차 개발에 집중하고 있다. 머스크는 배터리데이에서 한 달 안에 완전 자율주행 버전으로 업데이트된 ‘오토파일럿’을 공개할 것이라고 밝혔다. 테슬라에 맞서는 IT 기업도 여전히 기 싸움을 하고 있다. 미래 차 변혁을 맞아 정보기술 기업과 기존 완성차 업체들은 플랫폼 주도권을 쥐기 위해 치열한 싸움을 벌이고 있는 것이다. 구글(웨이모), 크루즈(GM) 등 자율주행 전문 업체의 최종 목표도 플랫폼을 완성차 업체에 공급하려는 의도이다. 폴크스바겐그룹도 포드에 전기차 플랫폼인 ‘MEB’를 공급하기로 하면서 진영 확대에 나섰다.

이쯤에서 우리는 이것만은 인정해야겠다. 테슬라가 압도적 자율주행 기능을 앞세운 보급형 전기차를 내놓으면 경쟁력은 만만치 않다는 점이다. 자율주행 기능이 강화된 전기차의 시장점유율 확대는 내연기관 차량의 시장 점유율 경쟁과 구도 자체가 다르다. 전기차로 쌓은 빅데이터를 전기차 사업 확장성에 이용하면 점유율 확대는 얼마든지 가능하다. 테슬라가 보급형 모델로 빠르게 빅데이터를 쌓아갈 수 있다는 점은 누구나 인정하고 있다. 자율주행 기능이 강화되면 차량 내에서 즐길 수 있는 엔터테인먼트나 각종 콘텐트 사업도 다양해진다. 테슬라는 하나의 콘텐트 플랫폼이 되고, 우리는 그 차 안에서 오락, 업무, 원격진료도 받을 수 있다. 전기차를 통해 쌓은 빅데이터를 이용한 사업의 확장성이 무궁무진한 것이다.

단순히 테슬라를 전기차 업체로만 봐선 안 되는 이유에 우리는 초점을 맞춰야 한다. 그게 테슬라의 경쟁력이다. 이런 점을 고려해 내년 현대차의 전기자동차 전용 플랫폼 양산체제 구축, 올해 LG화학의 배터리부문 분사, 이차전지 소재·부품·장비 생태계 마련이 이뤄져야 할 것이다.

※ 필자는 국제경제 전문가로 현재 울산 경제부시장이다. 대한민국 OECD정책센터 조세본부장, 대외경제협력관, 국제금융심의관 등을 지냈다. 저서로 [한 권으로 읽는 디지털 혁명 4.0] [식탁 위의 경제학자들] [명작의 경제][법정에 선 경제학자들] [나를 사랑하는 시간들] 등이 있다.