[인터배터리 2023 견학기] 우리나라에서도 LFP 배터리를?

[인터배터리 2023 견학기] 우리나라에서도 LFP 배터리를?

대학생신재생에너지기자단 21기 곽서영

 

[인터배터리 2023 속 LFP 배터리]

전기차 시장의 확대로 배터리에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 대학생신재생에너지기자단 단원들도 배터리에 많은 관심을 가지고 관련된 기사들을 작성하고 있는 만큼, 국내 최대 규모의 배터리 전시회인 인터배터리 2023에 참가하였다. 인터배터리 전시회는 인터배터리 전시회는 산업통상자원부가 주최하는 국내 최대 규모 배터리 전시회이자 세계 3대 2차 전지 전문 전시회로 2013년 국내에서 처음으로 열린 후 지난 10년간 국내외 2차 전지 산업의 성장과 함께 배터리 산업의 현재와 미래를 조망하는 비즈니스 플랫폼이다. 

[자료 1. 인터배터리 2023]

출처: ⓒ 21기 곽서영

최근 세계 배터리 시장에서 한국 기업들의 점유율이 계속해서 줄고 있다. 중국 기업들이 빠르게 규모를 키우고 있기 때문인데, 중국을 제외한 시장에서도 중국 기업 CATL의 점유율이 늘어 한국 기업과의 거리를 바짝 좁혔다. 해외 완성차 업체들이 가성비 좋은 LFP 배터리를 선택하면서 중국의 점유율이 급격하게 늘고 있다. 한국은 그동안 삼원계 배터리에 집중했는데, 글로벌 니즈가 바뀌면서 급하게 LFP 배터리 생산에 돌입했다.

 

[LFP 배터리란?]

현재 전기차 등 다양한 분야에 사용되며 우리의 삶을 편리하게 만들어준 2차 전지는 바로 리튬이온배터리이다. 리튬이온배터리는 리튬의 화학 반응을 이용한 것으로, 충방전 시 리튬 이온과 전자가 양극과 음극을 이동하며 전기 에너지가 발생시킨다. 이 리튬이온배터리도 양극재를 어떤 물질로 구성하느냐에 따라 삼원계 배터리, 사원계 배터리, LFP 배터리 등으로 구분된다. 그런데 최근에는 코발트, 니켈 등의 원자재 비용이 치솟으면서 이들을 사용하지 않아 저렴하게 제조할 수 있는 LFP 배터리가 재조명 받고 있다.

[자료 2. LFP 배터리의 구성]

출처: 배터리 인사이드

리튬이온배터리의 양극재를 니켈, 코발트, 망가니즈, 알루미늄 등 3~4개의 비철금속으로 구성한 경우 삼원계 혹은 사원계 배터리가 된다. 이렇듯 삼원계, 사원계 배터리가 리튬코발트산화물(LCO) 양극재를 기본으로 한다면, LFP 배터리는 코발트 대신 인산철을 넣어 LFPO(LiFePO4)로 양극재를 구성한다.

 

[LFP 배터리의 장단점]

<장점 1. 저렴한 가격>

LFP의 가장 큰 장점은 저렴한 가격이다. LFP 배터리는 현재 음극에 니켈과 코발트가 필요하지 않기 때문에 공급망 문제와 부풀린 가격을 우회한다. 또한 LFP의 음극은 지구가 풍부한 재료로 만들어지며, 리튬 철 인산염은 올리빈 미네랄 제품군에 속하는 결정 화합물이다. 올리빈 계열은 지구 상부 맨틀의 주요 구성 요소이므로 LFP를 더 저렴한 비용으로 더 쉽게 추출할 수 있는 것이다.

<장점 2. 100%까지 충전 가능>

NMC 또는 NCA 배터리는 100%까지 충전하지 않는다. 배터리의 자연스러운 노후화인 가속력 노후화를 방지하기 위해서이다. 배터리는 화학적 에너지를 전기로 전환하기 때문에 완전히 충전되면 배터리가 본질적으로 불안정하다. 전반적으로 매우 높고 빈약한 충전을 방지하는 것이 가장 좋은 관행으로 간주되며, 80%는 최적의 수명을 위한 표준 배터리 용량이다.

그러나 LFP 배터리는 이 충전 표준에 예외가 있다. LFP는 용량의 100%를 사용할 수 있으므로 가속 배터리 저하를 일으키지 않고 완전히 충전할 수 있다. 이는 배터리의 음극 덕분인데, LFP 음극의 인-산소 결합은 다른 음극 재료의 금속-산소 결합보다 강하다. 이 결합은 산소 방출을 방해하고 열 방출을 위해 더 많은 에너지와 더 높은 온셋 온도가 필요하다. 따라서 배터리가 완전 충전 상태로 저장되기 때문에 더 안정적이다.

<장점 3. 높은 안정성>

LFP 배터리에 들어가는 리튬인산철(LiFePO4)은 크리스탈 형태의 육면체들이 서로 유기적으로 연결된 격자 구조인 ‘올리빈 구조’를 가지고 있어 매우 안정적이다. 따라서 과충전 또는 과방전으로 인한 화재 위험이 낮으며, 배터리 셀이 열화되는 현상도 적어 배터리 수명도 긴 편이다.

[자료 3. 리튬인산철의 올리빈 구조]

출처: 배터리 인사이드

<단점 1. 낮은 성능>

LFP 배터리는 삼원계 배터리보다 가격이 저렴하고 안정성이 높지만, 무게가 무겁고 에너지 밀도가 낮아 전기차에 적용할 경우 주행 거리 확보에 불리하여 성능이 낮다고 평가된다. 예를 들어 전기차의 경우 삼원계(NCA) 배터리를 탑재한 모델이 1회 충전 시 최대 주행거리가 423km인데 비해 LFP 배터리를 탑재한 모델은 1회 충전 시 최대 주행 거리가 407km 수준에 그치기도 했다.

[자료 4. NCA 배터리와 LFP 배터리의 주행거리 비교]

출처: 배터리 인사이드

 

[국내 LFP 배터리 개발 현황]

인터배터리 2023에 참가한 국내 배터리 3사인 SK 온, LG에너지솔루션, 삼성SDI에서도 LFP 배터리를 개발하고 있는 것을 볼 수 있었다.

1. SK 온

[자료 5. SK온이 인터배터리 2023에서 공개한 LFP 배터리]

출처: ⓒ 21기 곽서영

SK 온은 국내 최초로 전기차용 LFP 시제품을 공개했다. 기존 LFP는 저온에서 주행거리가 50~70% 급감하는 단점이 있는데 SK 온은 이를 70~80%까지 끌어올렸다. 즉 저온 상태에서 낮은 성능을 보인 부분을 개선한 것이다. 또한 하이 니켈 배터리를 통해 축적한 소재 및 전극 기술을 LFP 배터리에도 적용하는 데 성공했다. 전시회에서 공개한 LFP는 그간 SK 온의 주력 상품인 파우치형 배터리로 개발된 것으로, 가격과 성능에서 모두 경쟁력을 갖췄다는 평가가 나온다. SK 온의 한 관계자는 “중국과의 무역 문제 심화로 인해 LFP 배터리 시장에서의 기회 선전을 목표로 하고 있다”라고 밝혔다.

2. LG에너지솔루션

[자료 6. LG에너지솔루션이 인터배터리 2023에서 공개한 LFP 배터리]

출처: ⓒ 21기 곽서영

LG에너지솔루션도 파우치형 LFP 제품을 선보였다. 하지만 LG에너지솔루션이 공개한 제품은 에너지 저장 장치(ESS)용 LFP 배터리로, 전기차용 LFP 배터리까지는 도달하지 못했음을 알 수 있다. LG에너지솔루션은 LFP 배터리 제품화가 마무리되면 중국 난징 공장과 한국 오창 공장에서 본격적인 생산에 돌입할 예정이라고 밝혔다.

3. 삼성SDI

그간 LFP 배터리에 소극적이었던 삼성SDI도 본격적인 개발을 선언했다. 최윤호 삼성SDI 사장은 지난 15일 정기주주총회 직후 기자들과 만나 “LFP 배터리를 열심히 준비하고 있다”라고 밝혔다. 고객과 제품 다양화를 위해 LFP 배터리 사업으로 진출할 가능성을 시사한 것이다. 삼성SDI는 저가형 배터리 모델로는 망간 비율을 대폭 높인 하이 망간(코발트 프리) 배터리에 주력해왔다. NCM 배터리에서 가격 부담이 큰 코발트를 빼 가격 경쟁력을 확보한다는 전략이었지만, LFP 배터리로 방향을 선회한 것으로 분석된다.

 

[LFP 배터리 시장 변화]

LFP 배터리는 제조원가가 저렴하고 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리와 비교해 안정성이 높지만, NCM 배터리보다 에너지 밀도가 떨어지고 주행거리가 짧은 것이 한계로 지적되어 왔다. 이에 그동안 한국 배터리 업체들은 NCM 배터리를 주로 생산해왔다. 하지만 글로벌 완성차 업체들은 LFP 배터리 탑재를 늘리고 있다. 기술 진화로 LFP의 에너지 밀도가 향상된 데다 인플레이션 여파로 가격 경쟁력이 부각되고 있기 때문으로 분석된다. 국내 배터리 업계 관계자는 "그동안 국내 업계가 기술력이 없어서 LFP 제품을 개발하지 않았던 것은 아니다"라며 "LFP 등 다양한 배터리에 대한 고객사들의 요구에 발맞춰 포트폴리오를 다양화하는 추세"라고 설명했다.

삼원계 배터리 시장과 달리 LFP 시장은 중국 업체가 주도한다. 거대한 자국 시장과 정부 보조금을 바탕으로 몸집을 키운 뒤 해외 시장도 적극 진출하고 있다. 중국 CATL은 유럽 완성차 업체를 겨냥해 헝가리에 100GWh 규모의 초대형 공장 건설을 추진 중이다. LFP 배터리 시장은 이미 NCM 시장을 넘어섰다. 시장조사업체 SNE 리서치에 따르면 지난해 말 기준 NCM 배터리를 생산하지 않는 CATL은 세계 배터리 시장 점유율 37.6%로 1위에 올랐다. 2위도 중국 업체인 BYD(11.6%)가 차지했다. CATL과 BYD의 점유율을 합치면 세계 시장의 절반에 육박한다. 반면 LG에너지솔루션(10.1%), SK 온(5.6%), 삼성SDI(4.2%) 등 국내 배터리 3사 점유율을 모두 합해도 CATL 한곳에 미치지 못한다. 하지만 최근 한국 배터리 업계가 시장에 뛰어들며 점유율 판도 변화가 기대된다.

인터배터리 2023에 참가한 에코프로 기업의 관계자에 따르면 “한국은 중국보다 LFP 배터리 시장에 늦게 뛰어들어 차이가 있지만, 이미 보유하고 있는 높은 기술력을 바탕으로 더 많은 자원과 인력이 투입된다면 충분히 중국을 따라잡을 수 있을 것”이라고 설명했다. 또한 “NCM 배터리와 LFP 배터리 시장은 따로 존재한다고 생각하며, 자동차 업계에서 차량에 따라 배터리를 선택할 것이라고 본다”라고 말했다. 이는 프리미엄 모델에는 에너지 밀도가 높은 NCM 배터리를 주로 사용할 것이고, 저가형 모델에는 에너지 밀도가 낮지만 가격이 저렴한 LFP 배터리를 주로 사용할 것으로 풀이된다.

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전기차 배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "우리는 왜 리튬과 배터리에 집중하는가?, 21기 오서영,  https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3704

우리는 왜 리튬과 배터리에 집중하는가?

2."세계 전기차 업체들의 배터리 내재화 전략이 국내에 미칠 영향", 19기 서명근, 

https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3305

세계 전기차 업체들의 배터리 내재화 전략이 국내에 미칠 영향

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참고문헌

[인터배터리 2023]

1) 유근호, “ISTMC, 인터배터리 2023 전시회 참가”, 스포츠Q, 2023.03.16,

http://www.sportsq.co.kr/news/articleView.html?idxno=450172

2) 현연수, “골머리 앓는 K-배터리 "자생력을 키워라"…'치고 나가는' 중국·'장벽 쌓는' 미국·EU에 '이중고'”, 매일경제TV, 2023.03.21, http://mbnmoney.mbn.co.kr/news/view?news_no=MM1004888130

[LFP 배터리란?]

1) Battery LAB, “LFP 배터리는 대세가 될 수 있을까?”, 배터리 인사이드, 2022.02.03,

https://inside.lgensol.com/2022/02/lfp-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EB%8A%94-%EB%8C%80%EC%84%B8%EA%B0%80-%EB%90%A0-%EC%88%98-%EC%9E%88%EC%9D%84%EA%B9%8C/

[LFP 배터리의 장단점

1) Battery LAB, “LFP 배터리는 대세가 될 수 있을까?”, 배터리 인사이드, 2022.02.03,

https://inside.lgensol.com/2022/02/lfp-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EB%8A%94-%EB%8C%80%EC%84%B8%EA%B0%80-%EB%90%A0-%EC%88%98-%EC%9E%88%EC%9D%84%EA%B9%8C/

2) “5 Facts About LFP Batteries”, accelera, 2022.09.22,

https://www.accelerazero.com/news/5-facts-about-lfp-batteries

[국내 LFP 배터리 개발 현황]

1) 박성우, “LFP 진출 선언한 韓 배터리, 中 독식 잡는다”, 조선비즈. 2023.03.22,

https://biz.chosun.com/industry/company/2023/03/22/26XJZO5CLJDJTMDCBCZ4XONBDU/?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz

[LFP 배터리 시장 변화]

1) 김기훈, “中 CATL 실적 'K-배터리' 압도…한국계 3사, LFP로 도전장”, 연합뉴스, 2023.03.19,

https://www.yna.co.kr/view/AKR20230318019700003?input=1195m

2) 유희석, “K-배터리, LFP 배터리에 '눈독'…"中 텃밭 노린다"”, 뉴시스, 2023.03.07,

https://newsis.com/view/?id=NISX20230307_0002217306&cID=13001&pID=13000