배터리 재료 전쟁, 경제성과 효율성 사이에서 ②

코발트 가격 상승과 NCM의 대안

[테크월드=양대규 기자] 전기차 시대가 다가오면서, LIB의 수요와 그에 대한 요구가 기하급수적으로 커지고 있다. 하지만 LIB의 주요 원재료의 가격이 불안정적어서 불안요소로 작용하고 있다. 전기차의 비용에서 배터리가 차지하는 비중은 약 48%다. 주재료인 리튬과 코발트의 가격은 지난 2년간 3배 이상 상승했으며, 니켈과 망간 가격도 함께 오르고 있다.

이에 대한 대안으로 NCM811(니켈:코발트:망간=8:1:1)이 높은 효율성과 재료비를 감소할 수 있어 주목받고 있다. 또한, 배터리 공장의 확장으로 생산 규모가 늘어나면서 비용을 크게 줄일 수 있다. 하지만 비용 절감의 노력에도 배터리 원재료의 가격 상승과 공급 물량 부족 문제는 전기차 산업의 성장과 함께 더 큰 위기로 작용할 것으로 전망된다.

SNE리서치에 따르면 2020년에 판매되는 자동차의 10분의 1이, 2025년에는 4분의 1이 전기차가 될 것이라고 전망한다. 전기차용 LIB 생산 업체들도 생산 능력 향상에 힘을 쏟고 있다. 테슬라(Tesla)의 기가 펙토리는 35GWh의 생산 능력을 목표로 1단계 공장은 이미 양산에 돌입했으며 150GWh까지 생산 능력을 늘릴 계획이다. 중국의 CATL, BYD, 한국의 LG화학 등도 2020년까지 각각 50GWh 의 생산 능력 확보를 목표로 하고 있다. SNE리서치는 글로벌 전기차용 LIB 생산 능력은 2020년에 569GWh에 달하며, 2025년에는 1000GWh에 육박할 것으로 전망했다.

전기 자동차에 들어가는 원재료의 양을 살펴보면 테슬라 ‘모델 S’를 기준으로 한 대에 리튬이 7.7kg, 니켈이 53.5kg, 코발트가 10kg, 구리가 26.6kg 필요하다. 2025년 이런 규모의 리튬이온이차 전지를 생산하기 위해서 리튬은 2017년보다 21배, 코발트는 15배, 니켈은 41배가 필요하다.

INI R&C가 ‘리튬이차전지산업과 광물자원’ 보고서(2018년 1월 31일)에 따르면, 리튬의 톤당 가격은 2015년 9월 5만 2610위안에서 2016년 3월 17만 5826위안으로 6개월 동안 3배 이상 상승했으며, 2016년 11월 12만 7864위안으로 하락 후 2017년 11월 17만 5000위안까지 올랐다.

코발트는 톤당 2016년 7월 3만 4200위안에서 2017년 3월 10만 9870위안으로 3.2배 상승했다가, 2017년 6월 8만 841위안으로 잠시 하락하고 2018년 1월 11만 5368위안까지 올랐다.

리튬은 2015년 9월부터 2017년 11월까지 2년 3개월 동안, 코발트는 2016년 7월부터 2018년 1월까지 1년 7개월 동안 3.3배 이상의 가격 상승률을 기록했다. 니켈과 망간은 각각 2년간 28%, 2년 6개월 동안 20% 가격이 올라 상대적으로 완만한 상승률을 보였다.

차세대 전기차는 NCM811?

최근 전기차용 배터리의 양극재 재료로 니켈, 코발트, 망간을 혼합한 리튬 산화물를 주로 사용한다. 이를 NCM 삼원계 양극재라고 말한다. SNE리서치에 따르면, ▲삼성 SDI가 공급하는 BMW i3 용 배터리에는 니켈, 코발트, 망간의 비율이 1:1:1인 NCM 111 ▲LG화학이 GM 볼트(Bolt)향으로 공급하는 배터리에는 니켈, 코발트, 망간의 비율이 6:2:2인 NCM 622 ▲테슬라 향으로 공급되는 기가 팩토리의 원통형 전지에는 니켈, 코발트, 알루미늄이 혼합된 NCA 양극재가 각각 적용된다.

2017년 SK이노베이션은 니켈, 코발트, 망간의 비율이 8:1:1 인 NCM811을 전기차용 배터리에 양산 적용하겠다고 발표했으며, LG화학도 NCM811 적용 제품을 먼저 양산하겠다고 밝혔다. 전기차 배터리에 니켈의 비율을 점점 더 늘리고 코발트의 비율을 줄이겠다는 것이다. NCM811은 기존대비 니켈 비중은 60%에서 80%까지 높고, 코발트는 20%에서 10%로 낮췄다. 니켈 함량이 높을수록 배터리 용량이 높아지고, 코발트 비중을 낮춰 원가를 줄이는 장점이 있다. 전문가들은 1회 충전에 500㎞ 이상 주행이 가능한 3세대 배터리에는 NCM811이 대부분 쓰일 것이라 전망한다.

SNE리서치는 “니켈의 비율을 높이면 높은 용량의 배터리를 제조할 수 있으나, 상대적으로 안전성이 떨어진다”며, “LG화학과 SK이노베이션의 발표는 재료 개발과 제품 개발을 거쳐서 양산 가능한 수준의 안정성을 확보했다는 것”이라고 분석했다.

지난 3월 1일 열린 배터리 재팬 2018 컨퍼런스에서 BMW 배터리 기술 개발 담당 이사 히데키 오기하라(Hideki Ogihara)는 “현재 차세대 전지로서 가장 높은 기대를 받고 있는 기술 대안은 NCM811 전고체전지 타입”이라고 밝혔다. 니켈이 가지는 불안전성을 낮추며, 고체 전해질이 가지는 안전성이 더해지면 전기차에 적합한 고효율의 안전한 배터리가 생산될 수 있다는 것이다.

BYD, "코발트 가격 상승으로 비싼 NCM의 대안은 LFP"

반면 중국의 전기차와 전기차 배터리 제조회사인 BYD의 톰 자오(Tom Zhao)는 “NCM 전지가 직면할 수밖에 없는 시장 한계”라고 지적하며, “앞으로 배터리 시장은 LFP와 NCM으로 양분하는 구도로 진행될 것”이라고 밝혔다. 고가 프리미엄 시장은 NCM이 사용될 것이지만 저가 배터리 시장에는 보다 저렴한 LFP(리튬인산철)이 사용된다는 것이다. 이에 대한 근거로 그는 ‘코발트의 공급부족’을 언급했다.

LFP는 코발트와 가격이 싸면서 성능이 그에 대한 대안으로 철을 이용한다. 안정적이고 수명이 길다는 장점이 있으나, 리튬이온이 빠져나가는 확산 속도가 아주 낮고, 전기 전도성이 낮다는 단점이 있다.

블룸버그의 예측에 따르면 전기차 시장의 급성장에 따라 코발트에 대한 수요는 현재 대비 약 80~100배까지 치솟을 것으로 전망된다. 이미 앞서 코발트 가격이 약 3배까지 폭등한 사실이 있기 때문에 이런 원자재 공급의 불확실성은 사업자들에게 가장 큰 리스크로 작용할 수 있다는 지적이다.

톰 자오는 “BYD는 이런 코발트 공급의 불안정성에 대응하고자 다음과 같은 2가지 측면에서 대응 방안을 모색하고 있다”며, “첫 번째는 신규 전지 생산과정에서 NCM 811에서 더 나아가 니켈의 함량을 90% 이상으로 증대시킴으로써, 코발트에 대한 의존도를 줄여나가는 것이다. 두 번째는 2025년까지 약 25GWH까지 증대될 것으로 예측되는 전기차용 폐전지를 재활용함으로써 부족한 코발트를 확보하고 이를 다시 ESS와 통신 중계소 등에 활용하는 것이다”고 설명했다. BYD의 분석에 따르면 약 95%의 코발트 전지는 재활용 가능하며, 많은 곳에서 해당 사업에 대해 관심이 모이고 있는 상황이다.

톰 자오는 ”이런 신규 생산·재활용 측면의 노력에도 불구하고 여전히 시장의 전지 수요와 공급 사이에는 격차가 존재할 것으로 예측되기 때문에 필연적으로 LFP 기반 기술에서의 효율성 재고가 요구된다”며, “이에 따라 BYD는 소형화 요구가 낮은 대형 버스나 ESS 장치 등에 대해서는 LFP의 기능 개선을 통해 접근할 예정”이라고 밝혔다.

※ 본 기사는 <전기차의 진화, '파워트레인'으로 좌지우지 된다 ③>로 이어진다.

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