LFP 배터리는 리튬이온 배터리의 한 종류로, 양극재로 리튬 인산철(LiFePO₄)을 사용하는 배터리입니다. 1996년 Goodenough 박사에 의해 개발된 이 화학 구조는 높은 안정성과 긴 수명, 그리고 비용 효율성을 특징으로 합니다. LFP 배터리는 주로 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 휴대용 전자기기 등에 사용되며, 최근 전기차 시장의 확대로 인해 수요가 급격히 증가하고 있습니다.
2. LFP 배터리의 화학적 특징
1) 구조와 성분 : LFP 배터리의 양극재는 리튬, 철, 인, 산소로 구성된 화합물입니다. 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 충·방전 과정이 이루어집니다. 결정 구조가 안정적이고, 화학적 반응이 비교적 느려 열 폭주(thermal runaway)의 가능성이 낮습니다.
2) 에너지 밀도 : 에너지 밀도는 약 90~160 Wh/kg으로, NCM(니켈-코발트-망간) 배터리나 NCA(니켈-코발트-알루미늄) 배터리에 비해 낮습니다. 낮은 에너지 밀도는 같은 크기의 배터리로 더 짧은 주행 거리를 제공하지만, 비용 효율성을 통해 이를 상쇄할 수 있습니다.
3) 수명 : 일반적으로 LFP 배터리는 약 2,000~3,000회 이상의 충·방전 사이클을 견딜 수 있습니다.
4) 사이클 수명에 따른 용량 유지율 : LFP 배터리는 2,000회 충·방전 후에도 약 80% 이상의 용량을 유지합니다. 이는 전기차의 경우 최소 8~10년, ESS의 경우 10년 이상의 사용 가능성을 의미합니다.
* 사이클 수명 : 배터리가 충전 및 방전 과정을 몇 번 반복할 수 있는지를 나타냅니다.
3. LFP 배터리의 주요 장점
1) 안정성 : 열 안정성이 높아 고온 환경에서도 안정적으로 작동합니다. 외부 충격이나 과충전에도 화재나 폭발 위험이 적습니다. ESS와 같은 대규모 설치 환경에서도 안전성을 보장합니다.
2) 경제성 : 코발트나 니켈 같은 고가의 희귀 금속을 사용하지 않아 원자재 비용이 낮습니다. 철과 인은 풍부하고 가격 변동이 적어 공급망 리스크가 낮습니다. 제조 공정이 비교적 단순하여 생산 단가를 낮출 수 있습니다.
3) 친환경성 : 코발트 채굴과 관련된 환경 문제와 인권 이슈가 없습니다. 리튬, 철, 인산염 등은 재활용이 비교적 쉬운 소재로 구성되어 있어 친환경적입니다.
4) 긴 수명 : 내구성이 우수해 주기적인 배터리 교체가 필요한 환경에서 경제적입니다. 전기차뿐만 아니라 재사용이 가능한 ESS로도 활용 가능성이 큽니다.
4. LFP 배터리의 단점
1) 낮은 에너지 밀도 : 에너지 밀도가 낮아 동일한 크기나 무게의 배터리로 더 짧은 주행 거리를 제공합니다. 주행 거리가 중요한 고급 전기차 시장에서는 경쟁력이 떨어질 수 있습니다.
2) 온도에 따른 성능 저하 : 저온 환경에서의 성능이 상대적으로 낮습니다. 영하의 온도에서 충전 속도와 용량 감소가 발생할 수 있어 극한 지역에서는 제한적입니다.
3) 충전 속도 : 초기 LFP 배터리는 충전 속도가 느리다는 단점이 있었습니다. 최근 기술 발전으로 어느 정도 개선되었지만, 여전히 고속 충전 성능은 NCM/NCA 배터리보다 낮은 편입니다.
우리나라는 2000년대부터 2010년대 초반까지 LFP 배터리 연구를 통해 꾸준히 성장세를 이어왔습니다. 그러나 2010년대 중반에 접어들며 장거리 주행이 가능한 니켈코발트망간(NCM) 양극재 기술이 주목받기 시작하면서, 국내 연구 방향은 NCM 중심으로 전환됐었죠.
그러다가 2023년 내연기관차에서 전기차로 바뀌는 시점에 이차전지가 핵심 부품으로 주목받게 되었습니다. 한 때 이차전지의 주가가 많이 올랐었죠. 대표적인 기업으로는 에코프로비엠, 포스코퓨처엠, 엘앤에프가 있습니다.
이차전지에는 크게 2가지 종류의 배터리가 있는데 하나는 아까 다룬 LFP 배터리이고 하나는 삼원계 배터리입니다. 삼원계 배터리는 3가지 원소를 섞어서 만드는 배터리를 말합니다. 우리나라 배터리 회사들은 대부분 삼원계 배터리 개발에 초점이 맞춰져 있습니다. 삼원계 배터리는 니켈과 코발트를 기본적으로 넣고 새로운 원소를 넣어서 만드는데, 코발트의 가격이 양극재 가격에 결정적인 역할을 합니다. (코발트가 많이 비쌉니다.)
이차전지 구성물질
이차전지의 구성물질은 양극재, 음극재, 전해질, 분리막이 있고, 이 중 50% 정도의 가격 비중을 차지하는 양극재가 화제가 됐었습니다. 양극재는 전자이동에 관여하는 물질로 리튬방출과 전자의 움직임을 결정하는 역할을 합니다. 배터리의 전압과 평균용량을 결정하죠. 즉, 전기차의 주행능력과 성능을 결정하는 것이 바로 양극재입니다.
양극재의 구성 요소는 양극활물질+알루미늄박+바인더+도전재 이고, 양극활물질에 따라 배터리의 능력치가 달라집니다. 양극활물질의 종류는 NCA, NCM, NCMA, LFP가 있습니다. 이 중에서 우리나라 배터리사가 주로 기술력으로 밀고 있던 NCM 배터리에 대해서 알아보겠습니다.
1. NCM 배터리란?
NCM 배터리는 리튬이온 배터리의 한 종류로, 양극재로 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 사용하는 기술입니다. 이 배터리는 높은 에너지 밀도, 우수한 성능, 균형 잡힌 안정성을 제공하며, 전기차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS), 전동 공구 및 기타 고성능 전자 제품에서 널리 사용됩니다.
1) NCM의 설계
- 니켈(Ni) : 에너지 밀도를 높이는 역할을 하며, 전기차의 주행 거리 연장에 기여
- 코발트(Co) : 안정성과 출력 특성을 제공하지만, 원가가 높고 환경적 문제가 존재
- 망간(Mn) : 화학적 안정성을 강화하고, 비용을 절감하는 데 기여
2. NCM 배터리의 장점
1) 높은 에너지 밀도 : NCM 배터리는 200~300 Wh/kg에 이르는 높은 에너지 밀도를 제공하며, 이는 전기차의 주행 거리 증가와 전자 기기의 긴 사용 시간을 가능하게 합니다. 니켈 함량이 높은 NCM 811은 기존의 NCM 111보다 에너지 밀도가 20~30% 더 높습니다.
2) 균형 잡힌 성능 : NCM 배터리는 에너지 밀도, 안정성, 출력 특성 간의 균형을 유지하며 다양한 응용 분야에 적합합니다. 고급 전기차뿐만 아니라 ESS와 같은 안정성이 중요한 시스템에서도 활용됩니다.
3) 출력 특성 : 고출력 성능을 제공하여 스포츠카와 같이 높은 전력 요구 사항을 충족합니다.
4) 비용 절감 가능성 : 니켈 함량을 늘리고 코발트 함량을 줄이는 방식으로 비용을 절감할 수 있습니다. NCM 811은 코발트 사용량을 최소화하여 원가 부담을 낮추는 동시에 성능을 향상시킵니다.
3. NCM 배터리의 단점
1) 안정성 문제 : 니켈 함량이 높아질수록 열 안정성이 낮아질 수 있습니다. 과충전, 고온 환경에서는 열폭주(thermal runaway)의 위험이 있습니다.
2) 원가 부담 : 코발트는 채굴 비용이 높고 공급망의 불안정성, 인권 문제 등의 이슈가 있어 원가 부담을 가중시킵니다.
3) 수명 : 충·방전 사이클 수명이 약 1,000~2,000회로, LFP 배터리(2,000~5,000회)에 비해 상대적으로 짧습니다. 장기간의 사용이나 깊은 방전에서는 성능 저하가 더 빠르게 나타날 수 있습니다.
배터리 기술 비교
하지만 우리나라 배터리 산업이 전 세계적으로 높은 기술력을 인정받고 있음에도 최근 몇 가지 요인으로 인해 침체를 맞고있습니다.
1. 중국 배터리 기업의 부상
1) 가격 경쟁력
- 중국산 LFP 배터리의 저비용 : 중국 기업들은 리튬인산철(LFP) 배터리를 대규모로 생산하며, 가격 경쟁력을 확보했습니다.
- LFP 배터리는 에너지 밀도는 낮지만, 안정성, 긴 수명, 낮은 원가 덕분에 보급형 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 시장에서 인기가 높습니다.
2) 중국 정부의 지원
- 중국 정부는 배터리 산업에 막대한 보조금을 제공하며, 자국 기업의 성장을 적극 지원합니다. CATL, BYD와 같은 중국 기업들은 이러한 지원 덕분에 글로벌 시장 점유율을 확대하고 있습니다.
2. 원자재 공급망의 취약성
1) 핵심 원자재 의존
- 한국 배터리 기업들은 니켈, 코발트, 리튬과 같은 핵심 원자재를 해외에서 수입에 의존합니다.
- 반면, 중국은 자국 내 광물 자원 확보 및 아프리카 등 해외 광산 투자를 통해 안정적인 원자재 공급망을 구축했습니다.
2) 원가 경쟁에서 불리
- 원자재 가격 상승은 한국 배터리 기업들에게 큰 부담으로 작용하며, 이는 제품 가격 경쟁력 약화로 이어집니다.
- 한국 기업은 고성능 NCM 배터리에 주력하고 있지만, 코발트와 니켈 비중이 높은 배터리는 비용 부담이 큽니다.
3. 시장 집중 전략의 한계
1) 프리미엄 시장에 집중
- 에너지 밀도가 높은 NCM/NCA 배터리에 주력 : 고급 전기차 시장에서는 성공적이지만, 보급형 전기차나 ESS 시장에서는 경쟁력이 떨어질 수 있습니다.
2) 대중화 속도에서의 격차
- 중국 기업들은 보급형 시장에서 빠르게 확산하며 점유율을 늘렸지만, 한국 기업들은 고급 전기차 위주로 제한된 시장에 집중했습니다.
4. 기술 혁신에서의 상대적 정체
1) LFP 배터리 개발의 후발주자
- 중국 기업들은 LFP 배터리 기술을 선도하며 대량 생산에 성공했지만, 한국 기업들은 NCM/NCA 배터리에 집중해 상대적으로 LFP 기술 개발이 늦었습니다.
- 최근 한국 기업들도 LFP 배터리 시장에 진입하려 하고 있지만, 이미 중국이 시장을 장악한 상태입니다.
2) 전고체 배터리 경쟁
- 차세대 배터리 기술인 전고체 배터리에서도 일본과 중국 기업들과 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다.
- 기술 개발 속도와 상용화 시점에서 한국 기업이 더딘 모습을 보이며, 시장 선점 기회를 놓칠 위험이 있습니다.
5. 기타
1) 트럼프 대통령의 배터리 소재 관세 부과
- 전 세계의 배터리 소재에 관세를 부과해 미국 내 생산을 장려하려는 계획 - 한국 기업들이 미국으로 배터리 소재를 수출할 때 추가 비용이 발생하여 경쟁력이 약화될 수 있습니다.
2) 트럼프 대통령의 IRA 폐지 또는 축소
- 현재 한국 배터리 기업들은 IRA(인플레이션 감축법) 효과로 미국 시장에서 강세를 보이고 있으나, 트럼프의 정책 변화로 이러한 이점이 사라질 수 있습니다.
배터리주 폭락
3) 전기차 수요 부진
- 높은 초기 비용 , 충전 인프라 부족, 주행 거리 불안, 기술 신뢰성, 브랜드 및 모델 다양성 부족
오늘은 중국의 LFP 배터리와 한국의 NCM 배터리에 대해서 다뤄보았습니다. 전기차 산업은 보조금의 축소로 가격 경쟁이 심화 될 것 같습니다. 테슬라는 올 상반기 3만 달러대의 신형 모델을 출시할 계획인데 이는 테슬라의 최저가 모델로, 보조금 없이도 중산층이 구매할 수 있는 가격대를 겨냥했고, 토요타도 2025년형 BZ4X의 가격을 14% 인하하기로 하였습니다. 이러한 가격 인하 전략은 업계 전반의 수익성 악화로 이어질 것으로 보입니다.
한국의 배터리 업체들도 새로운 도전에 직면해 있습니다. 완성차 업체들은 가격 경쟁력 확보와 신사업 발굴을, 배터리 업체들은 기술 혁신과 원가 절감을 통해 이 위기를 극복해야 합니다. 앞으로의 한국의 자동차 업계와 배터리 업계가 잘 대응해서 이 위기를 극복해나갔으면 좋겠습니다.
