이차전지와 양극재

바야흐로 내연기관차에서 전기차 시대로 넘어가는 시대가 점점 다가오고 있습니다.

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EU에서 2035년부터 내연기관차를 단종시키겠다는 법안을 통과하면서부터 전 세계적으로 친환경 정책을 펼치며 앞다퉈 전기차 개발에 힘쓰고 있죠. 이제 2023년인데 12년 정도 남았네요. (신차 뽑은지 한 달 정도 밖에 안됐지만... 5년 내로 미리 팔까 생각 중입니다.)

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사실 '전기차 붐'은 2010년대 초에도 잠깐 있었습니다. 미국의 오바마 대통령을 필두로 여러 국가의 정부에서 전기차 구매자에게 보조금을 지급하는 등 전기차 보급 확대에 나서면서 전기차 시대가 활짝 열리는 듯했죠. 이 당시 출시된 전기차는 GM 산하 쉐보레 볼트 EV, 기아 니로 EV, 닛산 리프 EV 등등이 있었습니다.

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근데 왜 반짝하고 사라지고 말았을까요?

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바로 배터리, 즉 이차전지의 기술 발전 때문이었습니다. 각종 기업에서 전기차 출시를 앞다퉈 낸다 한들, 주행량이 적고 충전 시간이 오래 걸려 소비자들의 선택을 받지 못한 거죠. 이차전지의 기술 발전이 그렇게 어려운 일이었을까요? 간단히 이차전지가 뭔지부터 설명드리겠습니다.

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물리적 혹은 화학적 반응으로 에너지를 발생시키는 장치를 일반적으로 '전지'라고 합니다.

이 전지는 일차전지와 이차전지로 나눌 수 있는데,

사용 후 다시 충전이 불가능한 일회용 전지가 일차전지, 충전 가능하여 반복해 사용할 수 있는 전지를 이차전지라 합니다.

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즉 충전해서 재사용 가능한 배터리를 이차전지라고 하는 것이죠.

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당시 전기차들의 가격은 내연기관차에 비해 높았고 1회 충전 주행거리가 150km에도 못 미치는 등 친환경적인 요인을 배제한다면 '굳이?'라는 생각이 들게 만드는 선택이었습니다. 겨울에는 100km도 못 갔다 하니 말 다 한 거죠.

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시간이 흘러 테슬라를 선두로 곳곳의 기업들이 앞다퉈 전기차 붐을 다시금 일으키고 있습니다. 전기차에 대해 잠깐 얘기해 보자면 전기차 자체는 만들기 매우 간단합니다. 배터리와 모터, 그리고 차체만 있으면 제작이 가능하죠.

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근데 문제는 배터리, 즉 이차전지입니다. 요 배터리를 만드는 기술을 갖는 게 쉽지 않습니다. 2010년대 초 '전기차 붐'이 잠깐 일어났다 사라진 걸 보면 알 수 있죠. 왜 어려운지 알기 전에 배터리의 구조를 잠깐 설명드리겠습니다.

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배터리는 양극(+)과 음극(-)의 두 전극이 양쪽에 있고 그 사이에 전해질이 들어있는 구조로 되어있습니다.

오늘날 이차전지는 그 효율성 때문에 리튬을 이용한 '리튬 이온 배터리'를 사용합니다. 양극의 양극재(양극활물질)가 리튬 이온을 지니고 있다가 배터리를 충전할 때 음극으로 리튬 이온 보내면서 충전이 이뤄집니다.

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즉 리튬 이온을 저장할 수 있는 양, 에너지양과 전압이 바로 어떤 양극활물질을 사용하냐에 따라 달라지는 것입니다. 리튬 이온을 많이 저장할 수 있는 양극활물질일수록 당연히 그 효율이 높겠죠?

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양극활물질의 효율이 좋으면 배터리의 에너지밀도가 향상되고, 이는 곧 전기차의 경쟁력으로 이어지는 겁니다. 배터리 기술의 향상은 곧 양극활물질, 양극재의 향상인 것이죠.

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근데 이 양극재 기술이 진입장벽이 굉장히 높습니다. 실례로 요즘 떡상의 주인공인 에코프로 그룹의 이동채 회장에 의하면 에코프로비엠이 양극재 사업에 뛰어들어서 이익을 내기까지 10년 이상의 지옥 같은 고난의 시간을 보냈다고 합니다.

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말만 들으면 '에코프로비엠만 고생한 거 아니야?'라는 생각을 가질 수도 있습니다.

양극재 기술을 가진 기업들은 많이 있습니다. 문제는 몇 퍼센트의 효율을 끌어낼 수 있는지입니다.

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그럼 전 세계적으로 90% 수준의 양극재 기술을 보유한 기업들을 나열해 보겠습니다. 총 4곳이 있는데,

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에코프로비엠, LG화학, 엘앤에프, 포스코 케미컬. 이 기업들의 공통점은 뭘까요?

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바로 한국 기업이란 겁니다. 국뽕이 차오르네요. 한국에만 4곳이 있단 게 아니라, 전 세계적으로 4곳 밖에 없습니다.

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최근 언론 등에서 '에너지밀도는 좀 떨어지지만 가격이 저렴한 LFP 배터리가 K 배터리의 위협이 될 것이다.'라는 등의 기사를 냈습니다. 효율성만 따져도 영 말이 안 된다는 걸 금방 알아차릴 수 있습니다

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LFP 배터리는 중국에서 만든 배터리인데 1kg당 지닌 에너지가 165Wh 정도 됩니다.

이에 비해 K 배터리라 불리는 주력 제품인 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 배터리는 305Wh/kg 수준입니다.

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이를 수치로 보면 NCMA는 LFP 대비 85%의 에너지를 더 저장할 수 있다는 겁니다. 에너지밀도, 즉 효율이 좋아지면 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있고, 같은 에너지양 대비 배터리를 더 적게 탑재할 수 있으니 무게를 덜어줘 가속력을 좋아지게 해주고 내구성 또한 경쟁력 있는 구조가 만들어집니다.

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앞으로 대한민국의 미래 먹거리가 반도체에서 이차전지로 전향되지 않을까 하는 생각이 듭니다.

좀 더 자세한 얘기는 2부에서 나눠보겠습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.