LFP 배터리VS삼원계 배터리- 혼돈의 전기차 배터리 시장

전 세계적으로 탄소중립이 이슈화되고 있는 가운데 전기차 배터리 시장이 폭발적인 성장을 하고 있는 가운데 테슬라 및 벤츠 등 주요 완성차 업체들이 가격 경쟁력을 이유로 들어 LFP (리튬인산철) 배터리 채택을 공식화하는 가운데 그간 NCM, NCA 등 삼원계 배터리에 주력해온 국내 주요 업체들이 복잡해지고 있습니다. 그 내용을 자세히 살펴보도록 하겠습니다. 

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1. 완성차 업체들 LFP 선언을 하다- 대세론 VS 신중론 대립

전 세계적인 전기자동차 시정점유율 1위 테슬라는 투자설명회를 통하여 모든 차종에 깁본 형 모델에 LFP 배터리 탑재를 한다고 발표를 하였습니다. 

이에 힘입어 벤트 또한 2024년부터는 소형, 준중형 전기차 배터리를 LFP 배터리로 교체한다는 발표를 하였으며 폭스바겐, 포도동 다른 글로벌 완성차 업체들도 LFP 배터리 도입 등을 검토 중인 것을 전해지고 있는 가운데 글로벌 완성차 업체들이 LFP배터리를 도입하는 이유는 가격 경쟁력 때문입니다.

 

배터리 업계에 따르면 국내 배터리 업체들이 주력으로 생산해온 삼원계 혹을 사원계 배터리와 비교해 LFP의 가격 은 저렴합니다. 

니켈 , 코발트, 망간 등의 원자재를 필요로 하는 삼원 게 배터리보다 리튬과 인산철 등을 배합하는 LFP의 원가가 싼 구조입니다. 

 

최근에 니켈 등의 원자제 가격이 급등한 것도 LFP 도입 확대를 부추긴 것으로 보입니다. 전 세계 전기차 시장이 빠르게 확대되는 가운데, 보다 저렴한 전기차 출시해 시장을 선점하는 것이 더 유리하단 판단하고 있는 것으로 예상됩니다. 

 

그동안 전기차 배터리 경쟁력의 핵심은 가격보다 주행거리라는 평가가 많았습니다. 

중국 배터리 업체를 제외하면 전 세계 배터리 시장 주도권을 쥐고 있는 국내 배터리 업체들이 삼원계 배털에 주력해온 이유입니다. 

 

LFP배터리보다 에너지 밀도가 높은 삼원계 배터리는 LFP와 비교해 상대적으로 부피도 작고 주행거리가 길다는 강점이 있습니다. 

문제는 세계 최대 배터리 업체인 중국의 CATL을 포함한 중국 배터리 업체들이 LFP의 에너지 밀도를 보완하는 기술을 확보했다는 점입니다. 

 

현재 기술력으론 주행거리 측면에서는 LFP가 삼원계 배터리에 밀리고 있지만, 반드시 삼원계 배터리를 탑재해야 할 정도로 뚜렷한 차이는 아니라는 것입니다. 

 

통상 LFP가 삼원계 배터리에 밀리고 있지만, 반드시 삼원계 배터리를 탑재해야 할 정도로 뚜렷한 차이는 아니라는 것입니다. 

LFP 배터리 주행거리는 400km 안팎, 삼원 게 배터리 주행거리는 500km 안팎 수준으로 평가받고 있습니다. 

여기에 전기차 배터리 화제 이슈 등도 LFP 배터리 도입 추세에 힘을 실어주고 있는 가운데 글로벌 완성차 업체들이 삼원계 배터리 화재로 대규모 리콜을 실시하면서 상대적으로 화재 가능성이 적은 LFP 배터리에 눈을 돌리고 있다는 것입니다. 

 

LFP 배터리 역시 화재 사고가 전무한 것은 아니지만, 삼원계 배터리 화재 빈도 등과 비교하면 더 안전하다고 인식되고 통상 LFP 배터리는 삼원계 배터리보다 방전 시 리튬이온이 빠져나가는 결정 구조의 영화 현상이 적어 화재 위험성이 더 낮다는 진단입니다. 

 

 

실제로 GM은 올해 전기차 배터리 화재로 10만 대 이상의 리콜을 결정한 바 있으며 해당 전기차에는 LG에너지 설루션의 삼원계 배터리가 탑재됐는데, 이 회사는 대규모 리콜에 따른 충당금으로 3분 만에만 3728억 원의 영업손실을 기록했습니다. 

LFP 배터리의 가격 경쟁력과 주행거리 보완에 삼원 게 배터리의 화재 위험성이 맞물리면서 전 세계 배터리 시장에서 LFP배터리가 급부상하고 있지만 배터리 업계 안팎에서 LFP대세론에 대한 의구심도 많습니다. 

 

1-1. 단기적 관점에서 보면 

가격 경쟁력 등의 이점을 무시할 수는 없지만, 중장기적 관점에서 주행거리 한계 등을 극복하기 쉽지 않은 것이란 지적입니다. LFP 배터리도 도입을 선언한 글로벌 완성차 업체들이 소형이나 준중형 전기차에 한정해서 LFP 배터리를 적용한 이유입니다. 

 

1-2. LFP 배터리에 대한 국내 주요 배터리 입장

1. SK 온은 현제 파우치형 LFP 배터리 개발 진행 중이다. 
2. LG에너지 설루션 역시 LFP배터리 개발하고 있지만 에너지 저장장치 (ESS) 시장에 우전 적용한다는 계획입니다. 

LFP 배터리 무겁고 에너지 밀도가 낮다는 한계 등을 감안해 전기차 배터리와 비교해 공간이나 무게 제약이 거의 없는 ESS 시장 한정으로 LFP 배털을 개발한다는 것이라 합니다. 

1-3. 삼성 SDI의 경우 LFP 배터리를 개발하지 않는다는 입장

삼성 SDI경우 LFP 배터리를 개발하지 않는다는 입장을 고수하고 있으며 대신 NCA배터리에서 상대적으로 비싼 코발트를 제외한 '코발트 프리 배터리'를 개발 LFP배터리와 견줄만한 가격 경쟁력을 확보한다는 전략을 펴고 있습니다. 

향후 LFP 배터리 시장 점유율 상승도 제한적일 것으로 예상하고 있으며 SNE리서치에 따르면 버스, 트럭 등을 제외한 승용 전기차에 LFP 배터리의 상반기 시장 점유율은 11% 수준입니다. 

 

글로벌 완성차 업체들이 저가 차량 위주로 LFP 배터리 도입을 확대하면서 향후 LFP 시장 점유율 20% 수준으로 증가할 것으로 예상되지만, 전고체 배터리 개발 전 주력 배터리는 삼원계 배터리 일수밖에 없는 의견이 나오고 있고 당분간 전 세계 전기차 시장의 중심은 성능이 향상된 삼원 게 배터리일 것이라고 내다보고 있습니다. 

 

국내 주요 배터리 업체들이 LFP 배터리를 개발하는 것은 이 배터리를 주력으로 삼겠다는 것이 아니라 일종에 구색 갖추기 정도로 이해하면 된다는 평가도 있습니다. 

LFP 배터리와 NCM 배터리 비교 이미지  출처 SNE 리서치 

2. 리튬 메탈, 전고체 등 차세대 배터리에 쏠리는 눈이 있다. 

현제 전 세계 배터리 시장이 LFP 배터리와 삼원계 배터리로 양분되는 모양새지만, 전 세계 배터리 시장의 폭발적 성장 등을 감안하면 주행거리와 안전성을 대폭 향상한 이른바 차세대 배터리에 이목이 집중되고 있습니다. 

 

국내외 주요 완성차 업체와 배터리 업체들이 이른바 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리 개발에 나서는 이유는 다만 일부에서 전고채 배터리 상용화까지 적지 않은 시간이 소요될 것으로 전망되고 있는 가운데 리튬이온 배터리보다 내구성과 에너지 밀도 등이 향상된 리튬 메탈 배터리를 주목하기도 합니다. 

 

삼원계 배터리와 LFP 배터리는 모두 리튬이온 배터리에 속합니다. 

국내 주요 배터리 업체 모두 전고체 배터리 상용화 시점을 앞당기기 위해 연구 개발, 투자 등을 아끼지 않고 있습니다. 

 

2-1. 전고체 배터리

리튬이온 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리로, 화재에 민감한 액체 전해질 대신 고체 전해질을 통해 화재 위험을 현저히 줄일 수 있다는 강점이 있습니다. 

폭발 이난 화재 위험이 줄어드는 만큼, 안전성 관련 부품 대신 배터리 용량을 늘리는 화학물질을 채울 수 있습니다. 

전기차 배터리 경쟁력의 핵심인 용량과 안전성 모두를 만족시킬 수 있다는 것입니다. 

 

전고체 배터리가 꿈의 배터리로 불리는 이유입니다. 

 

 

2-2. SK 온 

모회사인 SK이노베이션은 지난달 말에 미국 전고체 배터리 기술 기업인 솔리드 파워에 약 350억 원을 투자해 양사 공동으로 차세대 전고체 배터리를 개발 생산하기로 했습니다. 

기존 리튬 이온 배터리의  NCM 양극재와 실리콘 음극재를 적용한 전고체 배터리를 개발해 리터당 930 와트시 이상의 에너지 밀도를 구현한다는 것입니다. 

 

현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 리터당 700 와트시 수준입니다. 

동일한 크기의 배터리를 전기차에 탐재할 경우, 한번 충전으로 700km를 달릴 수 있는 리튬이온 배터리와 달리 930km 주행이 가능하다는 얘기입니다. 

 

또한 기존 리튬이온 배터리 제조 설비에서도 생산할 수 있는 전고체 배터리도 개발한다는 입장입니다. 

추가적인 설비 투자를 최소화해 비용과 시간을 절약하고, 이를 통해 가격 경쟁력은 물론 양산 시점도 앞달 긴다는 계산입니다. 

 

2-3. LG에너지 설루션

지난 9월 말 미국 샌디에 익 대학교( UCSD)와 공동 연구로 기존 60도 이상에서만 충전이 가능했던 기술적 한계를 보완해 상온에서도 빠르게 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다고 밝혔습니다. 

 

실리콘을 적용한 전고체 배터리 가운데 상온에서 충 방전 수명이 500회 이상인 건 이 기술이 처음이라 합니다. 

에너지 밀도 향상을 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리는 온도에 민감합니다. 때문에 60도나 그이 상의 고온 환경에서만 충전 가능하다고 충전 속도도 느리다는 점이 한계로 거론돼 왔습니다. 

 

 

전고체 배터리 설명 동영상

2-4. LG 에너지 설루션

UCSD 공동연구팀은 이 같은 문제를 개선하기 위해 전고체 배터리 음극에서 도전재(전도성을 높이는 물질)와 바인더 (도전재를 잘 붙게 하는 물질)를 제거하고 5 마이크로미터 내외의 입자 크기를 가진 마이크로 실리콘 음극재를 적용했습니다. 

 

실리콘 음극재는 기존 흑연 음극 재보다 10배 높은 용량이라서 에너지 밀도 향상을 위한 필수 소재로 꼽히고 있습니다. 

2-5. 삼성 SDI

지난해 연구개발에만 8000억 원 이상을 투입하는 등 전고체 배터리 개발에 공을 들이고 있습니다. 

문제는 국내 배터리 업체들의 전고체 배터리 상용화 시점이 2027년으로 예상되고 있다는 점입니다. 일부에선 이 상용화 시점도 확실치 않을 수 있다는 회의론도 있습니다. 

 

차세대 배터리 분야에서 3대 스타트업 중 한 곳으로 꼽히는 미국 솔리드 에너지 시스템 (SES)은 많은 업체가 1980년대부터 전고체 배터리 개발에 뛰어들었지만, 그때도 8년 후 지금도 8년 후를 말하고 있고 배터리 개발에서 양산까지 10년을 주기라고 할 때 늘 2단계에 머물러 있었다는 뜻이기도 합니다. 

 

2-6. 미국 SES(Silid Energy System)

배터리 월드를 영어 107 암페어 시 이상의 용량을 갖춘 리튬 메탈 배터리인 '아폴로'를 선보였고 2025년 상용화를 목표로 에너지 밀도가 리터당 935 와트시의 배터리를 개발하고 있다고 밝혔습니다. 

전고체 배터리가 먼 미래의 배터리라면 SES의 배터리는 지금 기술이라며 현제로선 자사 기술이 차세대 배터리라고 강조하고 있습니다.

 

 

2-7. 리튬 메탈 배터리 

기존 리튬이온 배터리 음극을 금속인 리튬으로 대체한 배터리인데, 흑연이나 실리콘 등을 활용한 리튬이온 배터리보다 안정성과 성능 등이 뛰어나다는 평가를 받기도 합니다. 

 

음극과 전해질 모두 고체로 대체한 것인 전고체 배터리라면 SES의 리튬 메탈 배터리에는 겔(GEL) 타입의 솔벤트 인 솔트(엽 중 염매) 전해질이 적용됩니다. 

 

SES의 리튬 메탈 배터리가 기존 리튬이온 배터리보다 진일 보안 기술이란 평가에는 이견이 없다고 합니다. 

 

현제 국내 주요 완성차 배터리 업체들도 SES에 투자한 상태이며 SK그룹 지주사인 SK는 2018년과 올해 5월 등 두 차례 걸쳐 SES 투자해 3재 주주 지위를 확보하고 있으며 현대자동차, 가아차도 1000억 원 이상을 이 회사에 투자한 것으로 전해지고 있습니다. 이외 LG테크놀로지 벤처스 등도 SES에 투자한 것으로 알려졌습니다.