[배터리 동맹]⑤ K배터리, 초격차 기술로 중국 따돌린다

LG·SK·삼성 '하이니켈' 집중…주행거리↑ 화재위험↓ '올인'
'화재위험 0' 차세대배터리 전고체전기 개발 박차…2030년 상용화

ⓒ News1 최수아 디자이너

(서울=뉴스1) 구교운 기자 = 중국 배터리업체들이 주력인 LFP(리튬인산철) 배터리를 넘어 삼원계(NCM:니켈·코발트·망간) 배터리로 포트폴리오를 확장하면서 한중 배터리 경쟁이 더욱 치열해지고 있다. 결국 K배터리는 '초격차 기술'로 중국의 추격을 떨쳐내야 한다는 게 전문가들의 의견이다.

20일 SNE리서치에 따르면 세계 최대 배터리업체인 중국 CATL은 올해 1~9월 중국 제외 세계 전기차 배터리 시장에서 파나소닉을 제치고 2위에 올랐다. CATL 중국 제외 점유율은 지난해 1~9월 12.5%에서 올해 1~9월 18.5% 크게 높아졌다. 같은 기간 35.7%에서 30.1%로 떨어진 LG에너지솔루션(이하 LG엔솔)과 격차를 25.2%p에서 11.2%p로 좁혔다.

양사 간 차이가 준 것은 전 세계 완성차들의 CATL LFP 배터리 채택이 늘어났기 때문인 것으로 풀이된다. CATL 등 중국 배터리업체들의 삼원계 배터리 양산이 본격화되면 K배터리의 입지를 더욱 위협할 수 있다.

중국 업체들이 주력하고 있는 LFP는 생산원가가 낮고 안전성이 높지만 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧다. 이에 대형, SUV 차량에는 적합하지 않은 만큼 중국 업체들이 삼원계 배터리로 눈을 돌리는 것은 당연한 수순이라는 평가가 나온다.

◇K배터리, '하이니켈' 배터리로 주행거리 늘려 기술격차 벌린다

LG엔솔, SK온, 삼성SDI 등 K배터리 3사는 현재 삼원계 배터리에서 니켈 비중을 늘리는 데 집중하고 있다. 양극재에 들어가는 니켈 함량을 60~70%에서 80~90%로 크게 높이는 것이다.

니켈 비중이 높아지면 에너지밀도가 높아져 주행거리가 증가하고, 배터리 원료 중 원가가 가장 높은 코발트 비중을 줄일 수 있어 배터리 생산 원가를 낮출 수 있다. 구조적 안전성이 떨어지는 것이 단점으로 꼽히는 만큼 개발 난이도가 높다.

LG엔솔은 2004년 개발한 안전성 강화분리막(SRS) 기술을 하이니켈 배터리에 적용해 안전성을 높이고 있다. SRS는 분리막의 표면을 세라믹 소재로 얇게 고팅해 안전성과 성능을 높인 기술이다.

LG엔솔은 삼원계 배터리에 알루미늄을 추가해 화학적 안전성을 높인 NCMA 사원계 배터리 양산을 지난해 세계 최초로 시작했다.

SK온은 2012년 니켈 비중이 60%인 NCM622 배터리를 세계 최초로 개발했고 2019년엔 니켈 비중을 90%까지 높인 NCM9 배터리 개발에 성공했다. SK온은 2025년까지 니켈 비중을 94%로 높이고 향후 98%까지 올린다는 계획이다.

SK온은 하이니켈 배터리의 화재 위험성을 낮추기 위해 '세라믹 코팅 분리막'(CCS) 기술을 적용하고 있다. SK아이이테크놀로지가 생산한 CCS 적용 분리막은 머리카락 25분의 1 수준인 4마이크로미터 굵기인데 내구성이 우수하다는 평가를 받는다.

삼성SDI는 니켈 함량을 88% 이상으로 높인 제품 '젠5'를 양산하고 있다. 니켈 함량 91% 이상으로 높인 차세대 배터리 제품 '젠6'도 현재 개발하고 있다. 삼성SDI는 현재 다수의 완성차 업체와 젠6 공급을 논의하고 있다. 젠6 양산은 2024년부터 이뤄질 전망이다.

업계 관계자는 "하이니켈이 전기차 배터리 시장에서 메인이 될 수밖에 없기 때문에 중국 업체들도 뛰어들고 있다"면서도 "CATL이 2019년 양산했던 하이니켈 배터리는 화재로 리콜이 이뤄지기도 하는 등 중국 업체들은 하이니켈 배터리를 안정적으로 양산하는 데 조금 부족하다"고 말했다.

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◇K배터리, '꿈의 배터리' 전고체 개발 속도…2030년 안팎 시장 출시

K배터리 3사는 장기적으로 '꿈의 배터리' 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있다. 현재 쓰이는 리튬이온 배터리는 이온 전도물질인 전해질이 액체로 돼 있는데, 이를 고체화하는 것이 전고체 배터리다.

전고체 배터리는 발화 가능성이 사실상 '0'에 가까워 현재 배터리의 가장 큰 불안요소인 화재 위험이 없다. 또 에너지 밀도가 높고 충전시간이 짧은 데다 대용량 구현이 가능해 차세대 배터리로 꼽힌다.

SNE리서치에 따르면 전고체 배터리 시장은 지난해 2GWh(기가와트시)에서 2030년 135GWh로 70배 가까이 확대될 전망이다.

국내에선 삼성SDI가 전고체 배터리 개발에 가장 앞서 있다는 평가를 받는다. 삼성SDI는 고체 전해질 설계와 합성에 성공해 전고체 전지 시제품을 만드는 등 기술 개발을 선도해왔다.

삼성SDI는 내년 상반기 경기 수원 SDI 연구소 전고체 배터리 파일럿라인(시범생산설비)인 'S라인'을 완공해 배터리 기술 검증 및 양산기술 확보에 나선다. 시범생산을 거쳐 2027년 전고체 배터리를 시장에 내놓겠다는 계획이다. 삼성SDI는 전고체 배터리 1회 충전시 주행거리가 900㎞를 넘을 것으로 보고 있다. 현재의 2배 수준이다.

LG엔솔은 2026년 고분자계 전고체 배터리, 2030년 황화물계 전고체 배터리 출시를 목표로 하고 있다. LG엔솔은 지난해엔 상온에서 빠른 속도로 충전할 수 있는 장수명 전고체 배터리 기술도 개발했다.

SK온은 대전 차세대배터리 연구센터를 중심으로 황화물계·산화물계·고분자계 등 전고체 배터리를 개발하고 있다. 특히 고체 전해질과 양극 핵심소재의 설계·합성을 통한 전고체 배터리 개발, 셀 수명을 늘리기 위한 리튬 보호층 소재 개발 등 연구개발에 집중하고 있다.

SK온은 또 지난해 10월 전고체 배터리 기술 선도기업인 미국 솔리드 파워에 3000만달러(약 353억원)를 투자해 차세대 전고체 배터리를 개발하고 있다. 양사는 2025년까지 황화물계 전고체 배터리 시제품을 개발하고 2029년 본격 양산을 시작한다는 계획이다.

또 다른 업계 관계자는 "리튬이온 배터리는 에너지 밀도를 개선하는 데 한계가 존재하기 떄문에 전고체 배터리가 이를 획기적으로 개선할 차세대 배터리로 주목받는 것"이라며 "업체들이 2020년대 후반, 2030년 상용화를 목표로 하고 있지만 경제성을 갖춰 생산하기까지는 시간이 필요할 것으로 예상된다"고 말했다.

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