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일경오토모티브_2021/12_EV 폭주, 배터리 쟁탈전
  • 저자 : 日経BP社
  • 발행일 : 20211111
  • 페이지수/크기 : 90page/28cm

요약

Nikkei Automotive_2021.12 특집 요약 (p36-53)

EV 폭주, 배터리 쟁탈전
경쟁 축이 자원이나 재료의 확보로

디젤 부정 사건으로 실추된 ‘환경의 유럽’. 그 반격은 강력했다. 하이브리드 차를 쫓아내고 전기자동차(EV)로 돌진한다. 핵심 배터리는 벌써부터 쟁탈전 양상이다. 유럽은 EV와 배터리 개발에 새로운 경쟁 축을 연달아 내세우며 EV 패권을 노리고 있다. 일본이나 중국에 대한 대항 의식이 강하게 배어 있는 유럽 EV 개발의 의도를 들여다본다.

Part 1. 유럽의 의도
사라지는’ 철 베이스 배터리에 각광

배터리 쟁탈전이 격렬해지는 가운데 경쟁 축은 자원이나 재료의 확보로 바뀌고 있다. 이 기회를 틈타 유럽이 내세우는 것은 배터리 재활용 규제다. 우위의 입장에서 자원 쟁탈전을 진행하면서 동시에 동아시아에 편중된 배터리 공급망을 유럽으로 당겨오려는 목적이 있다. 전기자동차(EV)의 고전압화도 추진해, 중국이나 일본의 강점을 약화시킨다.

“표준적인 항속거리의 EV나 가정용 축전지는 LFP(LiFePO4, 인산철)계로 이행한다”(미국 테슬라의 일론 머스크 CEO). 세계의 자동차업체가 30년을 대비해 EV 개발에 박차를 가하는 가운데, 핵심인 리튬이온 배터리의 경쟁 축이 바뀌기 시작했다. 각광을 받고 있는 것이 ‘서서히 사라질 것이다’라고 판단했던 LFP계 리튬이온 배터리이다.

테슬라가 LFP계 채용을 세계로 확대할 계획을 발표했다. 그리고 독일 폭스바겐 그룹이나 미국 포드모터 등이 LFP계를 채용할 방침을 밝혔다. 골드먼삭스 증권의 한 애널리스트는 “LFP계의 중요성은 높아질 것이다”라고 전망한다. 시장 조사회사에 따라서 다르겠지만, 30년 무렵의 EV용 배터리 가운데 LFP계는 20~40%를 차지할 가능성이 있다.

LFP계는 중국의 배터리 업체가 주로 전개하고 있어 저비용품이라는 인상이 강하다. 한국과 일본의 배터리 업체가 개발하는 NMC(니켈, 망간, 코발트) 계열이나 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄) 계열에 비해 비용은 20% 정도 저렴하다. 에너지 밀도도 비슷한 정도로 낮아진다. 에너지 밀도를 중시하는 이동체의 배터리로써 LFP계는 NMC계나 NCA계로 머지않아 대체될 것으로 여겨져 왔다.

LFP계가 일약 주목을 끌게 된 이유는, 에너지 밀도 향상을 뒤로 미뤄서라도 배터리 자원의 확보나 재료 가격 상승에 대한 대비가 중요해졌기 때문이다. 30년까지 EV의 급격한 확대가 전망되고 있어 배터리 자원의 고갈이 현실성을 띠게 되었다. LFP계의 재료가 되는 철은 풍부해서 고갈 가능성은 낮다. 앞으로도 가격은 안정적일 것으로 보인다.

반면 NMC계와 NCA계의 주요 재료인 니켈과 코발트의 자원 쟁탈전은 치열해져 가격 상승이 우려되고 있다. 특히 코발트는 채굴지가 한정적인 데다 아동 노동 문제 등이 거론되고 있다. 코발트 삭감은 배터리 각 사의 주요 명제가 되고 있다. 니켈은 비교적 풍부한 자원이지만 그럼에도 30년까지 내다보면 부족할 것이라는 목소리가 나오기 시작했다.

예를 들면 폭스바겐은 EV의 가격대에 따라 3종류의 배터리를 나누어 사용할 방침이다. 저가격 차량에 LFP계, 대량 판매 차량에 망간계를 사용한다. NMC계 등은 고성능차에 한정할 것으로 보인다.

-- 쟁탈전을 역이용하는 유럽 --
-- 800V화가 FCV에 대응하는 이유 --


Part 2. EU 배터리 규제의 충격
배터리 재할용 ‘기술이 전면 노출’

유럽은 중국, 한국, 일본이 잡고 있는 리튬이온 배터리의 패권을 탈환하기 위해 온갖 방법을 동원할 태세로 임하고 있다. 여기서 일약 주역이 된 것이 재활용이다. 재활용은 유럽연합(EU) 배터리 규제안의 핵심으로, 배터리 개발을 좌우하는 자원 쟁탈전의 비장의 카드라는 목소리가 나오고 있다. 환경이라는 ‘정의’를 기치로 EU 산업을 우위에 놓으려는 강압적인 방법에 일본 기업들은 당황하면서도 대책을 마련하기 시작했다.

EU가 20년 12월에 공표, 22년 1월부터 시작할 예정인 배터리 규제안. 그 골자는 27년부터 전기자동차(EV)의 리튬이온 배터리 등을 대상으로 코발트(Co)나 리튬(Li), 니켈(Ni) 등의 재활용재 사용량을 개시하도록 요구, 30년부터 2kWh 이상의 리튬이온 배터리를 탑재한 제품에 재활용재 사용을 의무화하는 것이다.

EU는 탈탄소를 목표로 한 에너지 전환과 어깨를 나란히 하는 환경 정책의 핵심으로 ‘순환 경제’를 내건다. 그 중점 대상으로 선택한 것이 리튬이온 배터리이다. 리튬이온 배터리 개발의 판도를 일변시킬 수도 있는 제안이다. 자원 문제 전문가인 도쿄재단정책연구소 히라누마(平沼) 연구원은 “방치하면 일본에서 배터리를 제조하는 것이 곤란해진다”라고 위기감을 드러낸다.

EU 기준에 따른 재생 재료를 리튬이온 배터리에 사용하지 않으면, EU에서 리튬이온 배터리를 판매할 수 없게 될 가능성이 있다. 동아시아에 편중된 배터리 부품 공급망을 억지로라도 EU로 옮기려는 의도가 엿보인다.

영향은 리튬이온 배터리 산업에 그치지 않는다. 리튬이온 배터리는 EV의 핵심으로, 자동차 산업의 패권 싸움을 좌우한다. 배터리 규제안과 호응하듯이, 유럽위원회는 21년 7월에 엔진차 판매를 35년까지 사실상 금지하고, EV 보급을 지지하는 충격적인 규제안을 발표했다. 배터리의 최대 공급처가 되는 EV 시장을 강제적으로 확대하고, EU 역내에서의 배터리 공급망 구축을 지지한다.

일본 기업의 경우는 리튬이온 배터리 업체를 보유한 도요타자동차가 부품과 차량의 양면에서 EU의 공격을 받은 모양새다. 배터리 패권을 쥔 중국 기업에서는 세계적인 배터리업체 CATL을 겨냥하고 있다는 견해가 있다. BYD처럼 배터리와 EV를 같이 전개하는 기업에게도 어려운 내용이다.

EU는 배터리 규제안의 국제 표준화를 위한 포석도 빠르게 마련한다. 18년 프랑스 표준화기관인 AFNOR가 국제표준화기구(ISO)에 순환 경제에 관한 기술위원회 설치를 제안했다.

현재는 ‘기술위원회(TC) 323’에서 표준화 논의를 시작했다. 참가국은 일본을 포함해 72개국, 옵서버는 12개국에 이르지만 의장국은 프랑스가 차지했다. EU의 순환 경제 관련 법안을 바탕으로 ISO에서 논의하고 있는 것 같다. 결국 ISO 규격으로 ‘승격’되면 세계의 많은 국가나 지역에서 EU 규칙에 따른 배터리 개발이 불가피해진다.

-- 동아시아 기업을 따라잡을 장치 --
EU가 리튬이온 배터리 산업의 역내 유치에 혈안이 되는 이유는, 리튬이온 배터리 가 에너지와 자동차라는 2대 산업의 탈탄소화를 추진하면서 한층 더 ‘중개’ 역할을 하는 핵심 기술이 되기 때문이다.

날씨에 따라 변동하는 재생가능 에너지의 안정적인 출력에 리튬이온 배터리는 필수다. 리튬이온 배터리는 EV의 성능과 비용도 좌우한다.

각 산업의 탈탄소화 추진뿐 아니라 리튬이온 배터리의 가치를 한층 더 끌어올리는 것이 있다. 바로 EV의 보급이 재생 에너지의 도입을 뒷받침한다는 ‘섹터 커플링’의 효과가 크다는 것이다. 예를 들면, EV의 배터리를 충방전함으로써 재생 에너지 출력 변동을 억제할 수 있다. 히라누마 연구원은 “EU는 (탈탄소 추진의 간판 정책인) 그린 뉴딜 안에서 섹터 커플링을 중시하고 있다”라고 설명한다.

지금 EU의 ‘정의’를 세계에 주장하는 기치가 된 ‘탈탄소’. 그 실현에 빠뜨릴 수 없는 배터리 산업이 동아시아에 편중된 상태로는 EU의 발전은 불안하다.

유럽위원회는 당연히 그렇게 생각했을 것이다. 이대로 EU에 재생 에너지와 EV를 대량 도입해 탈탄소를 추진하면, 동아시아의 배터리 관련 기업만이 돈을 벌 것이다. “무조건 EU에 배터리 산업을 만든다는 강한 의지를 구체화하는 수단이 배터리 규제안이다. 그 중에서도 새로운 축으로 삼은 것이 재활용이다”(국내 배터리 업체 간부).

재활용 규제가 EU에 리튬이온 배터리 산업을 불러들이는 관건이 되는 이유는, 배터리 재료의 EU 역내 생산에 활로를 열기 때문이다. 배터리의 재활용 공장은 그대로 배터리 재료 공장이 된다.

즉, EU 역내에서 생산한 배터리를 회수해, 재활용재로서 다시 배터리에 사용하는 폐쇄 루프(closed loop) 배터리 시장을 만드는 것은 동아시아에 의존하지 않는 배터리 공급망을 EU 역내에 확립하는 것을 의미한다.

EU는 역내의 배터리 시장의 창출에 대해서도 규제로 강력하게 뒤받침한다. 35년까지 엔진차를 폐지하고, 대부분을 EV로 대체하는 규제를 발표했다. 앞으로 14년 동안에 연간 1,000만대 이상의 EV 시장이 형성되면서 거대 리튬이온 배터리 시장이 EU에 탄생하는 것이다. 1,000GWh급 규모에 이를 가능성이 있어 자동차와 배터리 각 사가 EU 역내에서의 배터리 공장의 신설 계획을 발표한다.

-- EU ‘배터리 자원 대국’으로 --
-- 시장 원리에는 의지할 수 없는 배터리 재활용 --
-- ‘기술을 전면 노출할 수도 있다’ --
-- 배터리의 정보 관리가 핵심? --
-- 재활용 기술에 게임체인지 --
-- ‘자유 무역의 원칙에 반한다’? --


Part 3. 800V화의 새로운 조류
대응을 피할 수 없는 도요타, SiC 지원


전기자동차(EV)의 배터리 전압을 현재의 2배가 되는 800V 이상으로 높이는 대처가 유럽과 미국에서 가속되고 있다. 초점은 어디까지 확대될까다. 고급차에 머물지, 대중차까지 확산될지 전망이 엇갈린다. 한편, 전압 배증을 순풍으로 파워 반도체로서 현재의 Si(실리콘)에서 SiC(실리콘 카바이드)로의 치환이 진행된다. 일본은 관망하고 있지만 조만간 대응에 나서야 할 것이다.

독일 포르쉐가 20년에 EV ‘타이칸’을 발매한 것을 시작으로, 독일 아우디나 한국의 현대자동차, 미국 GM이 연달아 800V 대응 EV의 투입을 발표했다. 독일 다임러도 검토하고 있어, 고급차의 표준이 될 것으로 보인다.

일본 기업에서는 독일 고급차와 경합하는 ‘렉서스’의 도요타자동차가 800V화에 대응하지 않을 수 없다는 견해가 강해지고 있다.

새로운 고전압화가 진행될 가능성도 있다. 포르쉐는 21년 9월, 900V까지 높인 EV경기차를 개발한다고 공표했다. 중국에서는 1kV 이상까지 높인 ‘킬로볼트 카’에 대한 논의도 시작되었다.

EV에 탑재하는 리튬이온 배터리의 전압은 통상 400V 전후이다. 2배 이상으로 높이는 최대 목적은, EV의 과제인 충전 시간을 단축하기 위해서다. 치열한 배터리 용량의 확대 경쟁이 배경에 있다.

고급차에서는 100kWh 이상의 배터리를 탑재하는 EV가 등장하기 시작했다. 독일 보쉬의 예측에 따르면, 75k~100kWh의 대용량 배터리를 탑재한 EV의 비율이 25년에 20%에 달하고, 28년에는 32%로 확대된다.

대용량화로 항속거리를 늘릴 수 있지만 충전 시간은 길어진다. 사용자의 불만을 누르는 데 800V화가 필수인 셈이다. 충전 인프라도 800V에 대응할 필요가 있고, 충전 시 전류량을 늘리지 않고 급속 충전기 출력을 높일 수 있어 충전 시간을 단축할 수 있다. 포르쉐는 800V로 해 출력을 350kW로 높인 ‘초급속 충전’으로 4분 충전에 100km 주행할 수 있다고 강조한다.

유럽에서는 800V 대응 급속 충전기 설치가 진행되기 시작했다. 미국과 중국으로도 확산되고 있다. 시장 조사회사 Bloomberg NEF는, 유럽과 미국, 중국에서의 급속 충전기 가운데 800V 대응 비율은 21년에 1%이지만, 25년에 28%, 30년에 52%까지 증가할 것으로 예측한다.

800V화의 이점은 충전 시간의 단축에 그치지 않는다. 인버터나 구동 모터와 같은 핵심 파워트레인 부품의 소형화와 고출력화에 공헌한다. 독일의 대형 공급어베가 800V 대응 파워트레인 부품의 양산 계획을 잇달아 공개하기 시작했다.

-- ‘800V+SiC’ 가속의 분기점은 25년 --
보쉬나 독일 ZF는 22년에 800V 대응 인버터와 모터를 양산할 계획이다. 독일 컨티넨탈의 파워트레인 부문이 독립한 독일 Vitesco Technologies는 23년부터 양산한다. 머지않아 배터리나 파워트레인 이외의 부품에도 800V화의 흐름이 미칠 가능성이 있다.

800V화의 조류는 인버터의 핵심 부품인 파워반도체의 주역이 교체되는 계기가 될 수도 있다. 보쉬와 ZF, Vitesco는 800V 인버터의 스위칭 소자로서 SiC의 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)를 채용할 생각이다. 25년 무렵에는 현재 주류인 Si의 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)를 탑재한 인버터에 비해 고효율화와 저비용화를 양립할 수 있다고 전망한다.

SiC MOSFET는 고전압이 될수록 Si IGBT에 비해 스위칭 손실 등을 억제할 수 있다. 예를 들면 Vitesco는 800V 인버터에 SiC MOSFET를 채용함으로써 Si IGBT 탑재기에 비해 손실을 89%로 크게 삭감할 수 있다고 전망한다. “800V 인버터에서는 SiC에 우위성이 있다”(Vitesco).

ZF는 개발 중인 800V 인버터와 모터를 조합한 ‘eAxle’의 효율이 SiC MOSFET의 채용으로 400V의 Si IGBT 탑재차에 비해 3~9% 향상한다고 전망한다. 차량 전체에서는 400V의 Si IGBT 탑재차에 비해 WLTC 모드의 전비가 5~8% 향상할 수 있다고 시산한다.

비용이 높다고 하는 SiC MOSFET 탑재기의 최대 과제는 서서히 해소되고 있다. 예를 들면 보쉬는 SiC MOSFET를 탑재한 800V 인버터 전체의 비용이 25년 무렵에 Si IGBT 탑재기의 수준까지 내려갈 것으로 예측한다.

SiC MOSFET의 양산 규모가 증가하는 등 저비용화가 진행되기 때문이다. 아울러 SiC MOSFET의 채용으로 스위칭 주파수를 높여 주변 부품을 소형화할 수 있는 것도 기여한다.

-- ‘800V+SiC’의 비용 상승 폭은? --
-- 혼다∙마쓰다의 차기 PF에 주목 --
-- 선두 ST, 뒤쫓는 롬(Rohm)과 인피니언 --
-- SiC 기판을 얇게 슬라이스해서 조달량 삭감 --


 -- 끝 --

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