LiB(리튬이온전지) 시장이 급속도로 변화하고 있다.
잇따른 화재 사고로 LiB의 안전성이 우려됨에 따라 전고체전지, 리튬금속전지 등 포스트 LiB 개발이 활성화되고 있다.
특히, 중국은 주행거리는 상대적으로 짧으나 안정성이 높은 LFP(인산철리튬) 배터리를 개발해 집중 육성하고 있으며 전기자동차(EV)를 중심으로 채용을 본격화할 움직임을 나타내고 있다.
배터리 소재 생산기업들은 세계 각지에서 전기자동차 보급이 진전됨에 따라 배터리 공장 인근에서 소재를 공급할 수 있도록 설비투자를 가속화하고 있다.

중국, 영향력 확대하며 시장 장악
전동자동차(xEV)는 2020년 자동차산업이 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태의 영향을 받았음에도 불구하고 전기자동차가 200만대 이상, 하이브리드자동차(HV)가 약 800만대 판매됨으로써 전체 신규 자동차 판매대수의 10%를 차지한 것으로 파악된다.
후지경제(Fuji Keizai)는 2035년 글로벌 전동자동차 시장이 2019년의 7-8배 수준으로 성장할 것으로 전망하고 있다. 전기자동차는 판매대수가 2019년 167만대에서 2035년 1969만대로, 플러그인하이브리드자동차(PHEV)는 58만대에서 996만대로, 하이브리드자동차는 263만대에서 675만대로 증가할 것으로 예상했다.
다만, 전기자동차 시장 성장과 함께 급성장하고 있는 배터리 및 관련 소재 시장은 중국 의존도 심화가 새로운 리스크로 부상하고 있다.
배터리 음극재와 천연흑연, 전해액용 탄산리튬과 형석, LiPF6(리튬염) 등 대부분의 소재 공장이 중국에 집중돼 있고 코발트는 콩고민주공화국에 편재돼 있으나 중국 황산코발트 생산기업들이 원료용 수산화코발트 공급을 장악하고 있다.
코발트 가격은 중국기업들의 투기 구매 영향으로 2020년 11월 초부터 2021년 4월 사이에 2-3배 폭등한 것으로 알려졌다.
CATL과 비야디(BYD) 등 중국 배터리 메이저들은 미국 테슬라(Tesla)의 상하이(Shanghai) 기가팩토리와 현지 전기자동차 생산기업에게 배터리를 공급하며 시장점유율을 대폭 확대하고 있다.
중국 정부는 2020년 이후 중국기업과 해외기업에게 모두 전기자동차 배터리 보조금을 지급하고 있으나 중국기업에게는 해외기업의 10배에 달하는 보조금을 지원하고 있는 것으로 파악된다.
국제표준화기구(ISO) 전문위원회 TC333에서 추진하고 있는 LiB의 ISO 규격화 과정에서 중국이 큰 영향력을 행사하고 있다는 점도 배터리 생산기업들에게는 우려 요소로 부상하고 있다.
ISO 규격화가 이루어져 중국이 원하는 대로 원료와 리튬염 생산국으로 지정된다면 국내 배터리 생산기업들이 원료 확보에 어려움을 겪을 수 있기 때문이다.
일본은 2021년 4월 배터리 서플라이체인 협의회(BASC)를 출범시켜 적극 대응하고 있다.
유럽의 배터리 규제와 수요를 충족시키기 위해 필수적인 대규모 설비투자도 과제로 등장하고 있으며, 배터리 생산기업 단독으로 대처하기 어려워 산업계 차원의 대응이 요구되고 있다.

LG‧삼성‧SK, 바이든 자급화 타고 미국투자 총력
글로벌 전기자동차용 배터리 시장은 2019년 351억6000만달러에서 2027년 1334억6000만달러로 급성장할 것으로 예상된다.
조 바이든 행정부 출범 이후 친환경 정책을 강화하고 있는 미국은 2030년까지 새로 판매되는 승용차와 소형 트럭 가운데 절반 이상을 플러그인하이브리드자동차, 연료전지자동차(FCV), 전기자동차 등으로 전환하는 것을 목표로 하고 있다.
계획대로 진행되면 전기자동차 수요가 연평균 700만-800만대에 달해 관련 소재‧부품 시장이 빠르게 성장할 것으로 예상된다.
LG에너지솔루션은 미시간에서 단독으로 5GWh 공장을 가동하고 있고 오하이오에서는 GM(General Motors)과 합작으로 35GWh 공장을 가동하고 있으며 테네시에 No.2 35GWh 공장을 건설하고 있다.
2021년 10월에는 스텔란티스(Stellantis)와 북미에 배터리 40GWh 합작공장을 건설하기로 양해각서(MOU)를 체결했다. 부지는 검토하고 있으며 2022년 2분기에 착공해 2024년 1분기 상업가동을 목표로 하고 있다.
합작법인에서 생산한 배터리는 스텔란티스의 미국, 캐나다, 멕시코 공장에 공급해 차세대 전기자동차에 탑재될 예정이다.
LG에너지솔루션은 스텔란티스와 합작함으로써 2025년까지 북미에서만 150GWh의 배터리 생산능력을 확보할 것으로 예상된다.
삼성SDI는 그동안 자동차기업과의 합작투자 없이 독자적으로 전기자동차 배터리 사업을 유지했으나 스텔란티스와 배터리 합작투자에 나섬으로써 북미시장 진출을 가속화하고 있다.
미국에 배터리 공장을 건설할 예정이나 구체적인 투자액 및 생산능력은 공개하지 않고 있다. 다만, 최소 1조원 이상을 투자할 것으로 알려졌다.
삼성SDI는 울산과 중국 시안(Xian), 헝가리 괴드(God)에서 배터리 공장을 가동하고 있으나 LG에너지솔루션, SK온과 달리 미국에는 배터리 공장이 없는 상태이다.
하지만, 2025년 발효되는 미국·캐나다·멕시코 무역협정(USMCA)에 따라 미국에서 전기자동차 부품을 생산할 수밖에 없어 미국 진출을 결정한 것으로 판단된다.
SK온은 미국 배터리 사업에 5조원 이상을 투자할 계획이다.
SK온은 미국 포드(Ford)와의 합작법인인 블루오벌SK(BlueOval SK)의 미국 배터리 공장 건설을 위해 5조1000억원(약 44억5000만달러)을 투자하기로 결정했다. 포드 픽업트럭 등 SK온 배터리 탑재물량이 당초 예상보다 2배 이상 늘어남에 따라 투자 확대를 결정했다.
SK온과 포드는 2021년 5월 미국에 합작기업 블루오벌SK를 설립하기 위한 양해각서를 체결하고 60GWh의 배터리 셀 공장을 건설하기로 합의했다.

도요타자동차, 미국 배터리 생산에 34억달러 투자
도요타자동차(Toyota Motor)는 미국에 배터리 생산라인을 구축함으로써 코스트를 절감함은 물론 수요 증가에 적극 대응할 계획이다.
2030년까지 미국 배터리 생산에 34억달러(약 3조8000억원)를 투자해 하이브리드자동차용을 중심으로 배터리 생산을 추진하고 있다.
전기자동차는 배터리가 전체 가격의 30-40%에 달하고 있어 현지 투자가 불가피한 것으로 판단하고 있다.
도요타자동차는 최근 미국 판매량이 240만대로 급증하며 세계 전체 판매대수 가운데 25%를 차지했고, 하이브리드자동차와 연료전지자동차 판매가 특히 호조를 나타내고 있다.
자동차 판매가 부진했던 2020년에도 전동자동차는 미국 판매대수가 33만7036대로 전년대비 22.7% 급증했고 글로벌 판매비중은 2020년 16.0%로 4.5%포인트 상승했다.
도요타자동차는 신형 전기자동차 bZ4X를 포함해 2025년까지 미국에서 판매할 신차의 40%를 전동자동차 모델로 대체하고 2030년까지 미국에서만 150만-180만대의 전동자동차를 판매할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
배터리 소재 생산기업들도 미국 생산을 추진하고 있다.
세계 최대의 양극재 생산기업인 스미토모금속광산(Sumitomo Metal Mining)은 2027년까지 미국에 월 1만톤 공장을 건설할 예정이며 미국이나 다른 국가에서 3000톤 공장을 추가로 건설하는 방안을 검토하고 있다.
스미토모금속광산은 LiB용 NCA(니켈산리튬), LMC(니켈망간코발트산리튬), 니켈수소전지용 수산화니켈을 개발‧생산하고 있으며, 니켈 광석을 중심으로 중간제품, 정련, 소재 생산 등 모든 사업이 연계된 니켈 서플라이체인을 갖추고 있다. 자동차 탑재용 NCA는 글로벌 시장점유율 1위를 달리고 있다.
스미토모금속광산은 그동안 기존 수요기업을 우선하는 사업 전략을 펼쳐왔으나 앞으로는 생산능력을 확대하며 신규 수요기업 확보에 박차를 가할 예정이다.
미국에서는 OEM 외에 파나소닉(Panasonic)과 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션 등 배터리 메이저들이 일제히 투자를 벌이고 있어 시장점유율을 대폭 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

소재, 글로벌 시장 2024년 67조원대로 성장
LiB 소재 시장은 2024년 67조원을 넘어 2020년에 비해 2.5배 성장할 것으로 예상된다.
후지경제에 따르면, 글로벌 LiB 소재 시장은 2020년 30조129억원으로 전년대비 9.7% 성장한 것으로 추정되고 있다.
코로나19 사태로 경제가 악화되며 각국 정부가 경기 부양책을 펼쳤고 독일 등 유럽 국가들이 전기자동차 육성을 적극화한데 이어 재택근무 및 비대면 트렌드 확대로 새로운 수요가 창출된 영향이 작용했기 떼문이다.
후지경제는 2024년 전체 시장이 67조8020억원으로 2019년에 비해 2.5배 확대될 것으로 예상하고 있다.
LiB는 현재 중국과 한국이 집중 생산하고 있으나 유럽 국가들도 생산을 준비하고 있어 경쟁이 치열해지고 있다.
양극활물질은 유럽기업들이 장악하고 있고 전해액과 분리막은 한국‧중국‧일본이 유럽 투자에 나서고 있으며 알루미늄박과 동박도 한국기업들이 유럽기업을 인수하거나 유럽에 공장을 건설함으로써 유럽 생산을 본격화하고 있다.
시장이 가장 큰 양극활물질은 2020년 15조6590억원으로 10.4% 커졌으며 2024년에는 36조700억원으로 성장할 것으로 예상하고 있다.
소형 일반기기용 LiB에 사용하는 코발트산리튬은 2019년 코발트 가격 하락으로 시장이 축소됐으나 2020년 이후 완만한 성장세를 유지하고, 3원계는 소형 일반기기용 뿐만 아니라 전동자동차용 LiB 수요가 증가하며, 하이니켈도 전동자동차용이 호조를 나타내며 큰 폭으로 성장할 것으로 예상하고 있다.
최근에는 중국과 한국 배터리 생산기업들이 하이니켈 LiB 생산에 주력하고 있고 중국의 전기자동차(승용차)와 전기버스 시장이 확대되면서 LFP 수요가 빠르게 회복되고 있다.
음극활물질은 2020년 전동자동차 시장 성장을 타고 3조2390억원으로 8.4% 확대됐고 2024년에는 7조3020억원대로 2.4배 급성장할 것으로 예상하고 있다.
현재는 탄소계가 중심이고 대부분을 흑연계가 차지하고 있으나 급속충전과 하이레이트 LiB 보급이 본격화되면서 인조흑연계 비중이 확대되고 있다. 고용량화 니즈에 맞추어 실리콘(Silicone)계도 호조를 나타내고 급속충전, 사이클 특성이 요구되는 용도에서는 티탄산리튬 채용이 본격화될 것으로 판단하고 있다.

핵심소재, 고에너지밀도 확보 경쟁 “치열”
전기자동차용 LiB가 고용량화되면서 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 핵심 4대 소재를 생산하는 화학기업들도 높은 에너지밀도를 확보하기 위해 개발을 가속화하고 있다.
양극재는 니켈‧망간‧코발트 등 활물질을 사용한 3원계가 주목받고 있다.
현재 니켈 함유 비중이 높은 하이니켈계 수요가 급증하고 있고 조만간 니켈 비중이 80%에 달하는 양극재 적용이 본격화될 것으로 예상된다.
음극재는 카본 베이스에 실리콘 함유량을 높이는 방식으로 고용량화가 이루어지고 있다. 다만, 실리콘은 체적변화가 크고 충‧방전을 반복하면 실리콘이 벗겨지는 과제가 있어 연구개발(R&D)이 요구되고 있다.
전해액은 조성을 변경하거나 최적화된 첨가제를 투입하는 방식으로 고용량화 연구가 진행되고 있으며, 분리막은 박막화를 통해 활물질의 양을 늘리는 방식으로 고용량화하고 있다.
분리막의 에너지밀도를 높이면 화재 리스크가 높아질 수 있으나 세라믹이나 아라미드를 도포한 코팅 타입 분리막으로 안전성을 확보하고 있다.
전극 저항을 낮추기 위해 사용하는 양극용 도전조제도 새로운 소재 적용이 본격화되고 있다.
그동안 카본블랙(Carbon Black)을 사용했으나 최근에는 카본블랙 이상의 도전성을 가진 CNT(Carbon Nano Tube) 실용화와 그래핀(Graphene) 연구가 진행되고 있다.

급속충전‧코스트‧환경 관련 니즈 급성장
충‧방전 특성이 뛰어난 고출력 LiB는 급속충전에 적합해 주로 하이브리드자동차에 채용되고 있다.
최근에는 충‧방전 특성을 더욱 향상시키기 위해 분리막의 미세한 공경을 제어하는 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
LiB 내부에서 리튬이온이 쉽게 전도될 수 있도록 균일한 구멍을 형성함으로써 더욱 높은 투과성을 실현할 수 있을 것으로 판단된다.
코스트도 소재 채용에서 중요한 요소로 부상하고 있다.
전기자동차는 가격의 30-40%가 LiB 코스트에서 발생하고 LiB 가격 중 60-70%는 배터리 소재 비용으로 구성돼 있기 때문이다.
최근 자동차기업이 1kWh당 100달러로 코스트를 낮추어달라 요구하면서 배터리 소재 생산기업들의 코스트 절감 움직임이 본격화되고 있다.
아울러 LCA(Life Cycle Assessment) 관점에서 제조 시 대량의 이산화탄소(CO2)를 배출하는 LiB 프로세스가 문제시되면서 에너지 절감이나 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있는 제조공법 연구가 진행되고 있으며 환경을 고려한 소재 채용이 본격화되고 있다.
3원계보다 낮은 코스트에 조달 가능한 LFP 양극재도 다시 주목받고 있다.
LFP는 CATL 등 중국이 주력 생산하며 자동차 적용 시 3원계에 비해 주행거리가 짧아지는 단점이 있으나 코스트가 낮고 열 안정성 면에서 유리해 포드, 폭스바겐(Volkswagen) 등도 테슬라의 뒤를 따라 LFP 배터리로 다각화하고 있다.
SK온은 2022년 이후 LFP 배터리 개발에 나설 계획이다. 주로 저가 자동차 등 특정 용도를 중심으로 개발할 방침이다.
LG화학은 과거 전기자동차용으로 LFP 양극재를 개발‧양산한 바 있으며 최근 3원계 양극재의 안전성 문제가 불거짐에 따라 ESS(에너지저장장치) 적용을 목표로 LFP 배터리를 다시 개발하고 있다.
LFP의 장점을 극대화하기 위해 전기자동차 대신 공간이나 무게에 제약이 없고 코스트 경쟁력이 중요한 ESS 시장에 주력하고 있다.

LiB 재사용‧재활용 시장도 함께 성장
LiB 시장이 성장하면서 재사용‧재활용 수요도 급증하고 있다.
탄소중립 실현을 위해 LiB 장수명화 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 에리파워(ELIIY Power)는 수명이 30년에 달하는 LiB를 개발하고 있다.
에리파워가 개발하는 LiB는 1만7000번을 반복적으로 충전해도 용량 70%를 유지할 수 있어 수명이 약 20년에 달하는 것으로 파악되고 있다.
에리파워는 전기자동차에서 사용된 LiB와 리튬이온캐퍼시터(LiC) 등 축전기기를 조합함으로써 태양광‧풍력 등 재생에너지 출력 안정화를 높일 수 있는 ESS 개발을 자신하고 있으며, 앞으로 재생에너지 발전이 더욱 확대되면 사용 후 LiB의 새로운 용도로 ESS가 떠오를 것으로 판단하고 있다.
수명을 다한 LiB를 재활용하기 위해서는 비철금속 정련기술 보유기업들이 나서고 있다.
JX금속(JX Nippon Mining & Metals)은 2021년 5월 설립한 JX Metals Circular Solutions을 통해 자동차용 LiB에 포함된 희토류를 자동차용 배터리 원료로 재이용하는 클로즈드 리사이클 실증실험을 진행하고 있다.
도와(Dowa)는 자동차 탑재 등 대형 LiB의 리사이클 사업을 강화하고 있다.
자회사 Dowa Ecosystem의 산요(Sanyo) 공장에 파쇄‧선별용 후공정을 설치하고 2022년부터 가동함으로써 2019년 상업가동을 시작한 아키타(Akita) 공장과 함께 업스트림 및 다운스트림 일관생산체제를 구축할 예정이다. 타이, 인도네시아 공장 건설도 검토하고 있으며 리튬, 코발트, 니켈을 높은 품질로 회수할 수 있는 차세대 기술을 개발하고 있는 것으로 알려졌다.
스미토모금속광산은 LiB를 비롯해 사용이 완료된 2차전지에서 동, 니켈, 코발트, 리튬 등을 추출해 재자원화하는 새로운 리사이클 프로세스를 확립하고 있다.
에히메(Ehime)의 니하마(Niihama)에 설치한 파일럿 플랜트에서 고순도 니켈‧코발트 혼합액 회수에 성공했으며 회수액을 원료로 제조한 LiB 양극재가 기존 양극재와 동동한 성능을 갖추었다는 결과를 얻어 사업화 검증을 본격화하고 2023년 상업 플랜트를 설치하는 것을 목표로 하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)