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리튬 이온이 전해질로 알려진 액체 용액을 통해 양극과 음극으로 이동하며 자동차를 포함한 전기 및 전자 장치에 안정적인 에너지원을 제공함으로써 우리 삶에 큰 혁명을 초래했다.
그러나 오늘날 중국과 한국 기업이 앞서고 있다. 일본 제조업체는 2015년 세계 리튬 배터리 시장의 지배적인 부문인 EV 배터리 생산의 40%를 생산했지만 이 비율은 이후 5년 동안 절반으로 떨어졌다.
일본은 잃어버린 10년이라는 경기침체로 기업들이 천문학적 비용을 투자하기가 힘들었고 배터리보다는 수소 투자에 힘을 기울였다. 탈탄소화 노력이 주목을 받으면서 차량 전기화는 전 세계 총 배출량의 약 4분의 1을 차지하는 운송부분 배출량을 줄일 수 있다는 기대를 가지고 있다.
EV 배터리 시장은 2035년까지 2020년 수준보다 8배 이상 성장할 것으로 예상되며 배터리는 이제 “사람의 삶과 경제 활동이 편리하게 의존하는 중요 상품”이다.
하지만 늘어나는 수요에 비해 배터리의 성능은 제자리 걸음을 하고 있다. 수요를 충족하려면 성능 개선이 필수적이다. EV의 성능, 특히 주행 거리를 개선하려면 더 나은 배터리가 필요하다.
EV가 합리적인 가격으로 수용 가능한 범위를 제공하려면 ‘더 작고 가볍고 저렴’해야 한다. 배터리, 연료 전지 및 플러그인 하이브리드 차량의 판매를 늘리려는 정부의 목표를 포함하여 각 기업들은 개선을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
이와 같은 시나리오에서 가장 큰 도전은 안정적 배터리 공급망 확보다. EV와 배터리는 상호 필수적 관계로 미래의 구글, 페이스북, 애플이다.
◇더 좋은 배터리를 위한 글로벌 경쟁
리튬 배터리는 10년 전에 비해 더 오래 지속되고 더 많은 전력을 저장하며 비용이 거의 90% 저렴하다. 그러나 중요한 문제가 남아 있다.
하나는 안전이다. 배터리의 액체 전해질은 특정 조건에서 가연성 위험에 노출되어 있다. 삼성 스마트폰 및 테슬라 자동차와 같은 제품에서 화재가 빈번하게 발생한다.
차세대 배터리를 연구하는 대부분의 사람들은 에너지 밀도 향상에 초점을 맞추고 있다. 주요 대안은 전고체 배터리다. 의료용 임플란트와 같은 다른 응용 분야뿐만 아니라 차량 전기화를 촉진하는 데 있어 전고체 배터리가 대안으로 부상 중이다. 액체 전해질 대신 고체를 사용하며 고체 전해질이 액체 요소와 결합된 경우라도 전고체 배터리로 취급한다.
전고체 배터리는 더 나은 안전성과 성능을 제공한다는 차원에서 호평을 받고 있다. 이것이 자동차 회사들이 전고체 시스템에 집중하는 이유다. 그러나 이 배터리의 상용화는 여전히 어렵다. 문제는 차량에 전력을 공급하기 위해 필요한 용량의 확보다. 더 큰 배터리 셀이 필요하다.
다른 문제는 현재 대량 생산할 수 있는 공장이 부족하고 얇은 리튬 조각이 배터리를 관통하여 단락을 일으키는 것을 방지하는 기술적 장애가 있다.
일본은 미래 배터리 시장 점유율을 확보하기 위해 이 문제를 극복하려는 수십 개국 중 하나다. 일본은 외국 공급업체에 배터리를 지나치게 의존하지 않도록 하기 위해 2030년경 전고체 배터리의 본격적인 상용화 달성을 포함해 배터리 생산에 중점을 둔 구체적인 목표를 설정했다. 이 목표를 달성하기 위해 1000억 엔 상당의 보조금을 차세대 EV 배터리 공장 건설 지원에 투입했다.
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그러나 경쟁이 치열한 글로벌 시장을 공략하려면 보다 강력한 정책이 필요하다. 막대한 연구와 개발 비용을 감안할 때 정부 재정 지원이 확대되어야 한다.
파나소닉, 도요타, 닛산 등 배터리 공급망 협회(Battery Association for Supply Chain) 회원사들은 2030년까지 정부 차원에서 3조6000억 엔 투자 확대를 요청했다. 협회는 다른 국가와 격차를 줄이려면 천문학적 투자가 필요하다고 본다.
NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)에 따르면 일본은 2001년에서 2018년 사이 전 세계 배터리 관련 특허의 37%를 차지했다. 중국은 28%였다. 도요타, 파나소닉, 무라타 같은 일본 기업은 2020년 가장 많은 전고체 배터리 특허를 출원한 기업에 포함됐다.
일본은 배터리 연구에서 100년 이상의 경험을 가지고 있다. 새로운 배터리 시스템을 개발하고 상용화하려면 재료, 배터리 제조 및 자동차 제조에 대한 지식이 필요한데, 일본에는 이 모든 것이 있다. 일본에는 배터리 제조 전용 산업 분야가 이미 보편화되어 있다.
일본 기업들은 야심찬 목표를 세웠다. 닛산은 2024년까지 요코하마에 시험용 전고체 제조 공장을 가동하고 향후 4년 이내에 전고체 배터리를 탑재한 EV를 생산할 계획이다.
도요타는 2030년까지 800만대의 EV 판매를 촉진하기 위해 고체 및 기타 첨단 배터리에 1조5000억 엔을 투자하는 것을 목표로 하고 있다. 2025년까지 전고체 배터리를 탑재한 첫 번째 차량을 출시할 계획이다.
2020년 도요타는 한때 세계 최고의 배터리 제조업체였던 파나소닉과 협력하여 차세대 자동차 배터리를 개발하고 ‘중국과 한국의 라이벌을 추월’하는 것을 사명으로 하는 조인트 벤처 ‘프라임 플래닛 에너지 및 솔루션’을 설립했다.
하지만 일본은 기술력은 발달해 있지만 그러한 혁신을 추구하는 비즈니스 환경은 지나치게 보수적이다.
중국은 2009년부터 약 2조 엔을 투자, 세계 최대 리튬 배터리 제조업체인 CATL의 부상을 촉발한 EV 보조금 갱신을 고려하고 있다.
세계 2위의 글로벌 제조업체인 LG화학의 본거지인 한국은 10년 말까지 EV 배터리 산업에 약 4조2000억 엔을 투자할 계획이며, 미국은 배터리 생산을 강화하기 위해 9500억 엔 이상을 투자한다.
유럽연합(EU)도 2019년과 2020년에 다른 어떤 지역보다 배터리 산업에 더 많이 투자했다. 파이프라인에 최대 38개의 공장이 있는 유럽은 세계 2위의 배터리 생산국이 되려고 한다.
국제 경쟁은 치열하다. 예를 들어, 미국 기반의 신생업체인 쏠리드 파워 및 퀀텀스케이프는 포드, BMW 및 폭스바겐 같은 자동차 업체로부터 상당한 투자를 받았다.
도요타와 마찬가지로 폭스바겐도 퀀텀스케이프가 개발한 기술을 사용하여 2025년에 첫 번째 전고체 배터리로 구동되는 EV를 출시할 계획이다.
테슬라는 파나소닉과 같은 외부 공급업체에 대한 의존도를 줄이기 위해 4680형 배터리 셀을 자체 생산하려고 한다.
그러나 배터리 생산의 지배자는 여전히 중국이다. 중국은 배터리 금속 가공분야를 지배하고 있다. 2000년대에 중국 정부는 ‘전기자동차 미래’를 중국 정부가 차지하겠다고 결정하고 전기차의 가장 비싼 부품인 배터리에 막대한 투자를 했다.
향후 생산 예정된 전기 자동차 규모를 감안할 때 기존 리튬 배터리에 계속 의존할 경우 생산할 금속이 충분하지 않다.
올해 리튬, 알루미늄 및 니켈 가격의 상승은 2021년에 비해 리튬 배터리의 비용을 증가시켜 전기 자동차 가격이 10년 동안 하락한 추세를 반전시킬 가능성이 있다.
또한 전문가들에 따르면 2050년까지 리튬, 니켈 및 코발트에 대한 수요는 이미 알려진 매장량을 초과할 전망이다.
리튬 배터리가 가지고 있는 문제를 해결하는 방법에는 여러 가지가 있다. 예를 들어, 전고체 배터리의 주요 장점은 다양한 유형의 재료를 사용할 수 있다는 점이다. 전고체 배터리는 한 가지 유형의 배터리일 뿐이며 새로운 장치와 분야에서 사용할 수 있도록 많은 유형을 개발해야 한다.
이는 나트륨 이온, 칼륨 이온 및 리튬-인산철(풍부하게 이용 가능한 철과 인산염을 사용)을 비롯한 다양한 배터리 화학 물질을 사용하고 배터리 재료를 재활용하는 것을 의미한다.
배터리 팩에 의존하지 않고 배터리 셀을 자동차에 직접 삽입하는 테슬라의 구조적 배터리 같은 혁신적인 도전도 필요하다. 점점 더 많은 연구원들이 배터리 분야에 진출하고 투자가 증가함에 따라 상당한 발전이 이루어지고 있다.
전 세계의 공기업과 민간 기업이 내일의 배터리 개발을 위해 경쟁하고 있는 가운데, 이 경쟁의 결과에 세계의 저탄소 미래가 달려 있다. 결국 과학기술의 힘이다. 애플의 시가총액은 3조 달러를 넘어섰다. 한국의 2021년 GDP는 1조6000억 달러였다. 한국의 총 GDP가 세계 최고 기업이라고는 하지만 1개 기업 시총보다 적다. 과학기술과 혁신이 미래를 결정한다.
우리의 배터리 3총사가 미중 기술경쟁 시대 속에서 지정학적 이점과 과학기술의 힘을 활용해 기업의 가치도 높이고 국부를 창출하는 데 힘을 발휘해 주기를 바란다.
박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com
