납축전지의 생존 가능성에 대한 중립적 탐구

납축전지의 생존 가능성에 대한 중립적 탐구

대학생신재생에너지기자단 25기 구윤서, 백선우, 26기 윤민서, 27기 김주희, 조희선

 

납축전지의 현재와 도전 과제

납축전지는 세계 최초로 발명된 이차전지다. 이차전지는 한 번 사용하고 끝나는 일차전지와 다르게 충전을 통해 반영구적으로 사용하는 전지로, 폐기물 발생을 줄이고 부가가치가 높다는 장점이 있다. 이차전지의 역사는 1990년대 최초의 납축전지부터 최근에는 리튬이온전지까지 급속히 발전하고 있다. 지금도 이차전지는 더 나은 안전성과 충전 능력을 위한 개발이 이루어지고 있다.

이차전지는 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS), 스마트폰, 인공위성, 태양광 전지 등 충·방전이 필요한 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 납축전지는 경쟁력 있는 가격과 검증된 안정성을 통해 글로벌 시장에서 크게 주목받고 있다. 축전지 시장 규모는 2024년 기준 472억9000만달러로 추정되며 계속해서 증가할 것으로 예상되고 있다. 

납축전지의 주성분인 납은 생산 원가가 저렴할 뿐만 아니라 생산 공정도 빨라 다른 축전지에 비해 가격이 낮다. 납축전지가 80~100$/kWh인 반면 최근 개발된 리튬이온전지는 300~400$/kWh로 납축전지는 약 1/3 수준의 가격 경쟁력을 보여준다.

그럼에도 납축전지에도 해결할 점은 남아있다. 납축전지는 환경규제 및 ESG 경향으로 인해 위기에 놓여있다. 사용 수명이 다한 납축전지는 납, 산성 전해액, 플라스틱 등으로 구성되어 있다. 폐납축전지는 지정 폐기물이므로 폐기물 관리법에 따라 처리해야 한다. 전기전자제품 유해 물질 사용 제한 지침(Restriction of the use of Hazardous Substances in EEE, RoHS)은 EU에서 발표한 특정 위험물질의 사용을 제한하는 지침이다. 2008년부터 모든 전기/전자제품의 생산공정에서 납 등의 중금속 사용을 금지하는 내용이다. 또한 EU 내의 기존의 화학물질 관련 제도를 통합한 REACH(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals)는 EU 내에 제조되거나 수입되는 모든 화학물질을 질량과 위해성에 따라 등록하고 평가 및 허가를 받게 하는 제도이다. 이 제도들은 유럽으로 뻗어 나가고 있는 납축전지의 길에 큰 위협이 되고 있다. 납축전지의 시장 규모와 해결해야 할 도전과제를 알아보도록 하자.

 

납축전지의 기술 혁신과 시장 적응 전략

① 납축전지 기술의 발전 : MF에서 AGM까지  

납축전지는 지속적인 기술 발전을 거치면서 유지보수 최소화를 위한 MF(Maintenance Free) 배터리, 스타트-스톱 차량을 위한 EFB(Enhanced Flooded Battery), 그리고 고성능 차량과 산업용으로 사용되는 AGM(Absorbent Glass Mat) 배터리로 발전해 왔다. 각 배터리는 이전 기술의 한계를 보완하면서 새로운 요구를 충족하기 위해 개발됐다. 

MF 배터리는 유지보수 부담을 줄이기 위해 개발됐다. 초기 납축전지는 납-안티몬(Pb-Sb) 합금을 사용하여 방전과 충전을 반복할 때 물 분해 반응이 활발히 일어나 증류수 보충이 필요했다. 이러한 번거로움을 해결하기 위해 납-칼슘(Pb-Ca) 합금을 사용한 MF 배터리가 등장했다. 이 기술은 물 분해를 최소화하여 유지보수가 필요없도록 설계됐으며, 자기 방전율이 낮아 장기간 사용 시에도 성능 저하가 적다는 장점이 있다.

EFB 배터리는 스타트-스탑 차량 요구를 충족시키기 위해 개발됐다. MF 배터리는 일반적인 자동차에서는 충분한 성능을 제공했지만, 신호 대기 중 시동이 꺼졌다가 다시 켜지는 스타트-스톱 시스템을 적용한 차량에서는 잦은 충·방전을 견디기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 개발된 EFB 배터리는 강화된 전극판과 개선된 전해액 순환 시스템을 도입하여 충·방전 내구성을 높였다. 기존 MF 배터리 대비 약 2배 이상의 수명을 제공하며, 높은 빈도의 시동에도 안정적인 전력을 공급할 수 있도록 설계됐다.

AGM 배터리는 더 높은 성능과 내구성을 제공하기 위해 개발됐다. EFB 배터리는 스타트-스톱 시스템을 지원하지만, 고성능 차량과 하이브리드 시스템, 산업용 전력 저장 장치 등에서는 보다 강력한 배터리가 필요했다. AGM 배터리는 전해액을 유리섬유 매트에 흡수시켜 밀폐형으로 설계되었으며, 충전 속도가 빠르고 높은 출력을 제공할 수 있다. 특히, 방전 중에 발생한 산소를 양극에서 음극으로 이동시켜 다시 물로 환원시키는 기술을 적용하여 전해액 손실을 최소화하고, MF 대비 3~6배 긴 기대 수명을 자랑한다. 또한, 내부 저항이 낮아 급속 충전이 가능하며, 충격과 진동에 강한 구조로 설계되어 산업 및 특수 차량과 스톱앤고 차량에서 안정적으로 사용할 수 있다.

이처럼 납축전지는 유지보수 부담을 줄이는 MF 배터리에서 출발해, 스타트-스톱 기능을 지원하는 EFB 배터리, 그리고 스톱앤고 차량의 고성능 지원과 긴 수명을 제공하는 AGM 배터리로 발전해왔다. 이러한 기술 혁신은 자동차 산업뿐만 아니라 통신, ESS(에너지 저장 시스템), UPS(무정전 전원 공급 장치) 등 다양한 분야에서 널리 활용되며, 친환경적이고 지속 가능한 전력 공급을 위한 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

② 납축전지의 순환 경제 모델 구축 현황 

이차전지의 급속한 성장과 함께 세계 각국에서 폐배터리 처리 문제가 사회적으로 대두되고 있다. 그중에서도 납축전지는 잘 구축된 재활용 시스템을 바탕으로 높은 순환 경제성을 갖춘 배터리로 평가받고 있다. 미국에서는 납축전지의 약 99%가 수집되어 재활용되며, 역수송(reverse logistics) 방식으로 생산자에게 반환되는 시스템이 운영되고 있다. 유럽에서도 98%의 납축전지가 재활용되며, 고도로 효율적인 순환 경제 모델을 형성하고 있다.

그러나 리튬이온전지는 아직 재활용이 활성화되지 않은 상태이다. 이는 자동차 제조사별 상이한 요구사항, 배터리 제품의 다양성과 복잡성, 화학적 조성 차이에 따른 공정의 다양성 등이 원인이다. 반면 납축전지는 표준화된 디자인과 단순한 화학 구조(납, 황산, 플라스틱)를 가지고 있어 재활용 공정이 비교적 간단하며, 배터리 제조업체 간의 회수 및 가공이 용이하다. 특히 납은 가치가 높은 금속으로, 재활용 과정에서 경제적인 이점이 크며, 이를 통해 배터리 제조업체는 생산 비용을 절감할 수 있다. 환경 보호 측면에서도 납축전지의 폐기는 많은 국가에서 법적으로 금지되어 생산자가 사용 후 배터리를 수거하도록 규제되고 있다. 납축전지의 폐기 및 재활용 프로세스는 확립된 규제와 인프라를 바탕으로 안정적으로 운영되고 있다.

 

납축전지의 한계와 경쟁 기술의 도전

① 환경적 리스크

우선 폐납축전지의 폐기 및 재활용 과정에서 발생한 공해가 납 중독을 일으킨다는 문제가 있다. 이러한 납 중독은 인체에 심각한 피해를 준다. 실제로 캘리포니아주 버논에 위치한 익사이드(Exide) 납축전지 재활용 공장에서 납과 비소 등 유해 화학물질을 대기에 방출해 인근 지역 주민들에게 심각한 건강 위험을 초래했던 사례가 있다.

납축전지 폐기물 관리 비용이 증가했다는 것도 납축전지의 리스크로 꼽힌다. EU 배터리 규정 ‘폐배터리 핵심 원자재 재활용 효율 목표’에 따르면 납축전지 재활용 효율 목표를 2025년까지 75%에서 2030년까지 80%로 높였다. 또한, EU 배터리 규정에 따라 생산자들은 폐배터리 수거, 인프라 구축, 운송 및 처리 비용을 부담해야 하며, 이는 기업들의 재정적 부담을 가중시킬 것으로 우려된다. 규제의 강화로 납축전지의 재활용 효율성을 높이는 데 기여하지만, 동시에 관리 비용 증가로 인한 납축전지 관련 기업의 경제적 부담을 초래하는 것이다.

② 리튬이온전지의 압박

최근 급부상하고 있는 이차전지인 리튬이온전지 또한 납축전지의 자리를 위협하고 있다. 우선 납축전지의 이점인 저비용을 리튬이온전지가 따라잡고 있다. 리튬이온전지의 가격은 2024년 기준 킬로와트시(kWh)당 115달러로, 2023년의 139달러에서 20퍼센트나 감소했다. 또한 에너지밀도 면에서도 리튬이온전지가 납축전지보다 우월하다. 리튬이온전지의 에너지밀도는 일반적으로 200~260Wh/g이고 납축전지는 일반적으로 50~70Wh/g이다. 동일한 용량일 경우 리튬이온전지의 에너지밀도가 납축전지보다 3~5배가량 우위라는 것이다. 이러한 이유로 인해 납축전지의 자리를 점차 리튬이온전지가 대체하고 있다. 실제로 미국의 대표적인 전기차 기업 중 하나인 테슬라에서도 2022년부터 12V 전원으로 납축전지 대신 리튬이온전지를 사용하고 있다.

➂ 차세대 배터리의 부상

리튬이온전지 외의 차세대 배터리 또한 주목받고 있다. 차세대 배터리 중 하나인 나트륨이온전지는 리튬이온전지에 비해 생산 비용이 저렴하고 안전성이 높은 것이 특징이다. 또한 납축전지보다 가격이 약간 높은 대신 수명이 더 길고 재활용 시 분해되기 쉽다는 장점이 있기에 납축전지의 또 다른 경쟁 기술이 될 전망이다. 현재 중국의 배터리 제조사인 CATL에서 2세대 나트륨 배터리의 2025년 출시를 예고하는 등 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

 

납축전지의 신사업 확장

앞서 설명했듯이 납축전지 업계는 전통적인 시장 한계가 있더라도 경쟁 업체가 적다는 것이 현실이다. 또한, 예측된 연간 성장률은 7%로 차량용 외에도 다양한 사업 분야에서 필요한 대체 불가한 에너지 저장 매체이다. 지금부터 전통적 시장 한계를 극복하고 새로운 성장 동력을 마련하기 위해 다각화된 납축전지 신사업 전략에 대해 알아보고자 한다.

- 개발도상국 및 신흥국

박종호 한국앤컴퍼니 대표이사는 납축전지 시장에 대해 트럼프 2기 정권과 전기차 캐즘이라는 상황에서 내연기관 및 하이브리드 자동차 시장에서 사업 수익성을 높일 기회라고 예측했다. 이에 덧붙여 동남아시아, 남미, 아프리카 등 개발도상국에서는 리튬이온배터리 대비 경제적인 납축전지의 시장이 최소 30년은 지속될 것이라며, 납축전지 업계는 앞으로도 한국앤컴퍼니 그룹의 캐시카우 역할을 할 것이라고 얘기했다.

위 내용에서도 알 수 있듯이, 뉴스나 기사에서 다루는 리튬이온전지로 대두되는 전기차 시장과는 별개로 존재하는 납축전지의 발전 방향이 있다. 개발도상국을 포함한 인도, 동남아 등 전력 인프라가 미비한 신흥국에서는 소형 태양광 발전과 연계한 오프그리드 솔루션의 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 지역에서는 납축전지의 경제성과 안정성을 바탕으로 마이크로그리드 구축 지원 및 산업용 배터리의 확대가 이루어지고 있다. 최근 일부 업체들은 베트남이나 인도네시아 등에서 현지 공장을 설립하며 지역 맞춤형 솔루션을 제공하고 있어, 수출 시장 진출의 중요한 축으로 자리매김하고 있다.

- 에너지 저장 장치(ESS)

신재생에너지로의 전환과 결부된 ESS 외에도 AI 수요에 따른 데이터 센터의 전력을 공급하는 ESS에서 납축전지의 수요가 증가하고 있다. ESS의 구성요소인 무정전 전원 장치(UPS)로 납축전지가 리튬이온배터리로 대체되는 시기에 연달아 배터리 화재 사고가 발생하여 다시금 산업용 납축전지의 필요성이 강조됐다. 더불어 ESS는 특히 정부 지원 혜택을 통한 반사 이익을 적극 활용할 수 있다. 예를 들어, 일본에서는 가정용 ESS 시장 진출을 위한 보조금 제도를 적극 활용하고 있다. 이러한 정책적 지원은 신사업 확장의 중요한 밑거름으로 작용하고 있다.

- 재활용 및 자원순환 비즈니스 강화

환경 규제가 강화되고 자원순환에 관한 관심이 높아짐에 따라, 폐배터리 재활용 시스템 구축이 주요 과제로 대두되고 있다. 일부 기업은 폐 납축전지에서 높은 순도의 재생연료를 생산하는 기술을 도입하거나, 리튬이온배터리 재활용 공장을 운영하며 자원순환 체계를 확립하고 있다. 이러한 전략은 폐기물 처리 비용 절감과 동시에 친환경 경영 이미지를 구축하는 데 기여하고 있다.

- 고부가가치 제품 개발

자동차 및 산업 현장에서 기존 제품의 한계를 극복하기 위해, AGM 배터리 등 고부가가치 제품의 개발이 활발하다. 특히, 스톱앤고 기능 차량용 배터리나 군수·산업용 특수 배터리 등은 기존 제품보다 높은 중간이윤을 기대할 수 있어, 업계 전반의 경쟁력을 크게 높이고 있다.

 

지속 가능성을 위한 선택, 혁신 또는 퇴장

[자료 1.  AGM 배터리의 구조]

출처: Hankook

납축전지는 오랜 역사를 가진 이차전지로, 다양한 분야에서 중요한 역할을 수행해왔다. MF, EFB, AGM과 같은 기술 발전을 통해 성능을 개선하며 시장의 변화에 적응해 왔지만 환경 규제와 리튬이온전지를 포함한 차세대 배터리 기술의 부상으로 많은 경쟁에 직면하고 있다. 환경 규제는 납의 사용을 계속해서 제한하고 있으며, 폐기물 관리 비용 증가로 인한 기업들의 부담도 커지고 있다. 특히 유럽의 RoHS 및 REACH 규제는 납 사용을 엄격하게 관리하고 납축전지 재활용 효율 목표도 높게 설정되어 있다. 그러나 여전히 납축전지는 높은 재활용률과 경제성을 강점으로 갖추고 있으며, 이러한 이유로 개발도상국 및 신흥국 시장에서 지속적인 수요를 보이고 있다.

앞으로 납축전지의 생존 여부는 지속가능한 기술 혁신과 재활용 시스템 구축에 달려 있다. 친환경 제조 및 재활용 기술을 도입하고, 신흥 시장 확대, 고부가가치 제품 개발 등을 통한 차별화된 경쟁력이 필요하다. 또한 정부 지원 정책과 연계하여 ESS 및 데이터센터 UPS 시장을 확대하는 것도 납축전지 업계의 전략이 될 수도 있다. 배터리 시장은 단일 기술이 독점하는 것이 아니라 다양한 기술이 공존하는 형태로 발전할 가능성이 크다. 납축전지가 특정 산업에서 여전히 중요한 역할일 것이고 차세대 배터리와 보완적인 관계를 형성할 것이라는 의견 또한 무시할 수 없다.

결국 납축전지는 혁신을 통해 지속가능성을 확보하거나, 시장에서 점진적으로 퇴장하는 갈림길에 서 있다. 현재로서는 납축전지가 완전히 사라질 가능성은 낮지만, 앞으로의 전략적 방향에 따라 결정될 것이다. 지속 가능한 우리의 미래와 납축전지를 위하여 새로운 생존 전략이 마련되어야 한다.

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납축전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다!", 22기 류나연, 23기 김용대, https://renewableenergyfollowers.org/4069

[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다!

2. "리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?", 22기 이지원, https://renewableenergyfollowers.org/3987

리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?

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참고문헌

[납축전지의 기술 혁신과 시장 적응 전략]

1) 박종제, Hankook & Company, 묵묵히 최신 기술을 품어온 자동차 배터리, https://www.hankookandcompany.com/ko/innovation/innovation-284.do

2) 삼일PwC경영연구원, 순환경제로의 전환과 대응전략 플라스틱과 배터리(이차전지)를 중심으로, 삼일회계법인, 2022.04, https://www.pwc.com/kr/ko/publications/samilpwc_paradigm-shift-april2022.pdf

[납축전지의 한계와 경쟁기술의 도전]

1) 김신웅, “폐배터리 등 특정 폐기물 관리 허술”, 투데이코리아, 2016.06.25, https://www.todaykorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=228757

2) 박선영, “[RETECH 2024] EU 배터리 규정 시행, 전기차 폐배터리 재활용 문제 본격화”, 환경일보, 2024.09.03, https://www.hkbs.co.kr/news/articleView.html?idxno=770130&utm_source=chatgpt.com

3) 알렉산더 나자리언, “꼭꼭 숨어라, 납에 중독될라”, 이코미니스트, 2016.04.18, https://economist.co.kr/article/view/ecn201604180011?utm_source=chatgpt.com

4) 윤영혜, “리튬이온전지 대체, 폭발 위험 없는 레독스 흐름전지 개발”, 동아사이언스, 2023.03.23,  https://m.dongascience.com/news.php?idx=59086&utm_source=chatgpt.com

5) 인호, “배터리 가격 역대 최저, 전기차 가격 하락하나?”, 오토뷰, 2024.12.18, https://www.autoview.co.kr/news/articleView.html?idxno=93924&utm_source=chatgpt.com

6) 홍명표, “CATL, 2세대 나트륨 배터리 발표… "2025년 출시 예정"”, 임팩트온, 2024.11.21, https://www.impacton.net/news/articleView.html?idxno=13163&utm_source=chatgpt.com

7) CT, “나트륨 이온 배터리에 대한 최종 가이드”, Keheng Battery, 2023.12.04, https://www.lithiumbatterytech.com/ko/the-ultimate-guide-to-sodium-ion-battery/#elementor-toc heading-anchor-1

8) hjtic, “[중국 BYD의 EV ‘SEAL’ 철저 분해] BYD의 12V 배터리는 리튬—-유럽의 ‘탈 납(鉛)’ 지령을 의식한 것일까?”, Nikkei X-TECH, 2023.06.28,
https://hjtic.snu.ac.kr/board/news_summary/view/9603?utm_source=chatgpt.com 

9) Linshu, “리튬전지와 납축전지의 장단점 비교”, 2022.07.22,
https://ko.wirelessmartsystems.com/info/comparison-of-the-advantages-and-disadvantages-73261896.html?utm_source=chatgpt.com

[납축전지의 신사업 확장]

1) 권가림, "이성찬 한국앤컴퍼니 상무 납축전지 이어 리튬이온까지 에너지 종합 솔루션 노린다", 아주경제, 2024.09.11, https://www.ajunews.com/view/20240911141921825

2) 박수현, "SK C&C, 데이터센터 화재 후 일부 리튬이온 배터리 납축전지로 교체", 조선일보,  2023.03.30, https://biz.chosun.com/it-science/ict/2023/03/30/XKYNGELY35CRPECCUONL3QFT4M/

3) 서기열, "리튬에 밀려난 납축전지 반전묘수를 찾을까", 한경, 2021.01.28, https://www.hankyung.com/article/2021012840731

4) 장우정, "[중견기업 해부] 차세대 車부품으로 매출 2조원 눈앞 세방전지", 조선일보, 2024.03.06, https://biz.chosun.com/industry/company/2024/03/06/VUDJTVJBDRCMFOHJ2GGFNI273M/