Global GET-Future Laboratory

▶시장 현황은

▷전기차·ESS 등 수요 급증

배터리 시장에서도 주역은 3가지다. 스마트폰으로 대변되는 모바일 제품에 들어가는 소형 전지와 함께 전기차용 중대형 배터리 성장세가 가파르다. 여기에 최근 신재생에너지 시장이 커지면서 대용량 배터리인 ESS(에너지저장시스템, 잠깐용어 참조)가 뒤를 받치는 모양새다. 경쟁구도 역시 한국과 중국, 일본의 삼국지다.

스마트폰에 들어가는 소형 전지 시장은 한국이 압도적이다.

지난해 모바일·IT용 리튬이온 배터리 시장 규모는 50억7200만셀로 전년(47억600만셀) 대비 약 8% 증가했다. 이 중 삼성SDI가 지난해 12억7800만셀, 점유율 25.2%로 선두를 지켰다. LG화학은 8억6000만셀, 17%로 2위를 유지했다. 뒤를 이어 일본 파나소닉이 14.7%(7억4400만셀), 중국 ATL이 11.4%(5억8000만셀), 일본 소니가 8.5%(4억3300만셀) 시장점유율로 톱5 명단에 이름을 올렸다.

하지만 미래 전망이 밝지만은 않다. 한국전지산업협회 관계자는 “지난 2011년 한국 업체가 시장점유율이 40%를 넘어서면서 일본을 앞질렀지만, 최근에는 중국이 일본을 제치면서 빠르게 올라오고 있다”고 설명했다.

시장 포화와 경쟁 격화를 벗어나기 위해 업체들 시선은 전기차로 향하고 있다.

지난해 독일 폭스바겐의 디젤게이트 이후 미국과 중국 등을 중심으로 전기차 시장 성장세가 가파르다. B3에 따르면 전기차에 들어가는 중대형 배터리 시장은 지난해 6조4000억원 규모에 달했다. 2020년 18조8000억원 수준까지 성장할 것으로 전망된다. 업계에선 조만간 전기차용 중대형 배터리 시장 규모가 소형을 앞지를 것이란 예상이 지배적이다.

이 시장 역시 한국과 일본이 장악했다. 일본 AESC가 점유율 23.5%로 1위고 2위가 LG화학(16.6%)이다. 4위는 일본 파나소닉(13.7%), 5위는 삼성SDI(12.5%)다.

여기서도 중국은 맹추격 중이다. 자국 배터리 경쟁력을 높이려고 중국은 정부 차원에서 외국 업체에 대한 진입장벽을 치고 나섰다. 올 초 삼원계 리튬이온 배터리를 장착한 전기버스를 정부 보조금 지원 대상에서 제외한 게 대표적인 예다. 삼원계 리튬이온 배터리는 한국 기업 주력 생산제품이다. 업계 한 관계자는 “중국은 전기차 시장 활성화를 위해 다양한 정책을 시도하고 있다. 탄력받은 중국 업체들이 에너지 밀도가 높은 배터리를 양산할 채비를 속속 갖추면서 국내 기업과의 격차를 빠르게 좁히는 상황”이라고 우려했다.

독일과 미국 움직임도 심상치 않다. 테슬라모터스는 얼마 전 미국 네바다주 리노시에 건설 중인 신규 공장 ‘기가팩토리’ 일부를 가동하기 시작했다. 독일 폭스바겐과 BMW 등은 독자적인 배터리 공장 건설을 검토 중이다.

게다가 LG화학과 삼성SDI 등 국내 주요 업체들은 자동차용 배터리 분야에서 점유율은 좀 되지만 이익 면에서는 적자를 면치 못하고 있다.

그나마 ESS 시장에선 한국 기업이 경쟁력을 유지하고 있다는 평가다. 네비건트리서치의 ESS 분야 경쟁력 평가보고서에 따르면, LG화학이 1위, 다음으로 삼성SDI-비야디(BYD·중국)순이다. 한국 중소기업인 코캄도 4위에 올랐다.

최근 한국 업체들 움직임도 이런 상황을 반영하고 있다. LG화학이 폴란드에 축구장 4배 규모의 자동차용 배터리 공장 건설에 착수한 게 대표적이다. A애널리스트는 “배터리 분야에서 (한국 업체들이) 가격 경쟁력 확보를 위해 생산거점을 늘리고 ESS 분야 투자를 확대하는 모양새다. 하지만 배터리는 결국 가격보다 안전하고 오래가는 게 중요한데 이와 관련해 우리 업체들의 소재, 기초 기술 등은 여전히 한계를 보이고 있다”고 우려했다. 경쟁력을 유지하기 위해서는 경쟁사가 모방하기 어려운 기술력을 가져야 하지만 상황이 녹록지않다는 주장이다.

▶문제는 어디서부터?

▷中만도 못한 소재 분야

상황이 녹록지 않은 것은 한국은 2004년부터 2차전지를 본격 개발, 10년 이상 연구개발에 집중해 양산 능력만큼은 세계적 수준을 갖췄지만 소재 등 핵심 원천기술에서 뒤처져 있기 때문이다. 일본의 ‘질’과 중국의 ‘양’에 끼여 샌드위치 신세를 벗어나지 못하고 있는 배경이다.

2차전지를 대표하는 리튬이온 배터리는 크게 4가지 소재로 구성돼 있다. 방전 시 리튬이온을 저장하는 양극재, 충전할 때 리튬이온을 받아들이는 음극재, 둘 사이에 리튬이온이 이동할 수 있도록 해주는 전해액, 양극과 음극이 직접 접촉하지 않도록 분리해주는 분리막 등이다. 4대 핵심 소재로 불린다. 양극과 음극이 배터리 기본 성능을 결정짓는다면, 전해액과 분리막은 배터리 안전성과 관계 깊다.

배터리 산업에 위기감이 큰 주요한 이유는 아직도 4대 핵심 소재의 국산화 비중이 심각하게 낮기 때문이다. 양극재 글로벌 시장점유율은 10~15% 정도며 음극재는 아예 전무한 수준이다. 그나마 한국이 잘하는 양극재는 중국이 가세하면서 공급과잉 조짐마저 보인다.

배터리 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 일본과 중국이 배터리 소재 시장을 양분하고 있다. 소재별로 살펴보면 양극재 시장점유율은 중국 45%, 일본 25%, 한국 15% 정도인 것으로 조사됐다. 음극재는 더욱 초라하다. 중국이 65% 이상 점유율을 자랑하는 이 시장에서 일본 30%, 한국은 2% 미만이다. 진입장벽 높은 분리막은 일본이 60% 이상 점유율로 압도적 1위를 차지한다. 전해액은 중국 55%, 일본 31%다.

소재 분야에서 일본은 앞선 기술력과 특허를 보유하고 있으며 중국은 매섭게 생산량을 늘리고 있다. 배터리 소재만큼은 중국이 한국을 넘어섰다는 분석도 있다. 이충재 KTB투자증권 애널리스트는 “배터리 완성품 가격은 계속 내려가는데 원재료 가격은 오르고 있다. 소재 기술을 갖춘 기업의 부가가치는 높아지고 있다. 반면 한국처럼 완제품을 생산하는 곳은 이익을 내기 쉽지 않다”고 지적한다.

시장이 커지고 있는 전기차 배터리 소재의 핵심 역시 음극재, 이 중 인조흑연(AG)이다. 한국이 100% 수입하는 소재다. AG는 일본 히타치케미칼과 JFE케미칼이 주로 생산하는데 한국 업체들은 보통 이곳에서 제품을 사온다. 설상가상 최근 인조흑연 가격이 계속 상승하고 있어 한국 업체의 원가 부담이 가중되고 있다. 올 5월까지 미국 미시간주 LG화학 자동차 배터리 공장에서 법인장으로 근무했던 김형진 GIST(광주과학기술원) 융합기술원 교수는 “산업 발전 측면에서 한국 배터리 산업은 정체돼 있다”며 “원천기술이나 소재 부문에서 어려움을 겪으면서 원가 부담이 높아졌다. 흑연이나 탄소 분야에서 일본과 비교해 많이 뒤처져 있다”고 토로했다.

▶미래 기술 선점도 못해

▷리튬이온 대체할 제품 연구 시급

더 큰 문제는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 분야에서 이렇다 할 돌파구가 보이지 않는다는 점이다. 세계 2위 전장부품업체 콘티넨탈의 엘마 데겐하르트 회장은 “현재 리튬이온 배터리로는 전기차 시장을 확대할 수 없다”며 “2025년이 되면 리튬이온 배터리 에너지 효율 한계를 극복하는 신기술이 등장할 것”이라고 단언한다. 전기차 대중화를 위해선 현재 리튬이온 배터리만으로는 한계가 있다.

리튬이온 배터리는 안전성이 떨어진다는 단점이 있다. 전기차에 활용했을 때 완전충전 시 주행할 수 있는 거리도 제한적이다. 이 때문에 글로벌 업체들은 리튬이온 배터리를 대체할 새로운 미래 배터리 기술 개발에 사활을 걸고 있다.

기술적으로 크게 두 가지 흐름을 보인다. 우선 리튬이온 배터리 음극재 소재로 흑연 대신 실리콘을 섞는 기술이다. 테슬라가 이를 집중 연구개발하고 있는 것으로 전해진다. 또 하나는 리튬이온 배터리를 변형한 전고체 배터리(잠깐용어 참조)다. 리튬이온 배터리는 전해질이 액체 형태다. 온도 변화와 외부 충격에 민감하다. 전해질을 고체로 만들면 부피를 리튬이온 배터리 3분의 1 수준으로 줄일 수 있다. 또 음극과 양극이 접촉해 폭발하는 것을 사전에 방지할 수 있어 안전하다.

전기차는 배터리 용량이 중요하다. 전고체 배터리는 현재 전기차에 쓰이는 리튬이온 배터리 대비 3배가량 전력을 저장할 수 있다. 전기차 최대 약점이었던 주행 거리를 늘릴 수 있다는 얘기다.

현재 일본 기업은 전고체 배터리 개발에 몰두하고 있다. 소니는 지난해 한 심포지엄에서 전고체 배터리 개발 소식을 알렸다. 올해 7월 소니는 배터리 사업을 무라타제작소에 양도한다고 밝힌 바 있다. 무라타는 전고체 배터리 관련 기술을 넘겨받아 연구개발을 진행하고 있다.

한국 업체 중에선 삼성SDI가 전고체 배터리 개발에 열심이었다. 2014년엔 삼성 벤처스를 통해 미국 전고체 배터리 벤처기업 SEEO에 투자하기도 했다. 하지만 이후 SEEO는 독일 전장부품업체 보쉬가 인수했다. 현재로선 무라타제작소와 보쉬 등이 전고체 배터리 시장에서 가장 기술력 높은 것으로 평가받는다. 폭스바겐도 전고체 배터리 업체 ‘퀀텀스케이프’를 인수했으며 토요타 등 완성차 업체도 관련 연구 개발에 앞장서고 있는 것으로 전해진다. 반면 한국 업체는 삼성SDI 이후 별다른 소식이 전해지질 않는다.

전고체 배터리뿐 아니라 플렉시블 배터리도 일본이 많이 앞서 있다. 파나소닉은 굽힐 수 있는 플렉시블 리튬이온 배터리를 10월부터 본격 출하한다고 밝혔다.

김형진 교수는 “전고체나 플렉시블 등 미래 배터리 기술에서 뒤처지고 있다. 논문 발표만 봐도 알 수 있다”며 “일본과 중국은 이 분야 종사자가 많다. 한국은 절대적 숫자가 부족하다. 연구 논문의 질에서도 차이가 난다”고 아쉬움을 토로했다.

해법은 없을까. 전기차 시장에 대비하려면 배터리 조립 기술도 중요하지만 무엇보다 소재 국산화가 필수다. 아울러 미래 배터리 기술 연구개발에도 심혈을 기울여야 한다. 전문가들은 정부는 물론 산·관·학이 손잡고 2차전지 시장을 다시 한 번 점검할 시점이라고 강조한다. 학계는 지금까지 스마트폰 등 소형 2차전지 시장에서의 성공에 취한 나머지, 이후 원천기술 개발에 소홀했다고 성토한다. 한 국책연구기관 연구원은 “10년 전만 해도 2차전지 기술 개발에 대해 정부가 적극 지원했다. 지금은 분위기가 많이 달라졌다. 예전보다 연구의 다양성이 떨어진 게 사실이다. 재도약을 위해 연구 시스템을 총체적으로 점검할 시점”이라고 말했다.

다행히도 최근 정부와 산업계는 이런 문제에 공감대를 형성하고 배터리 소재와 고성능 제품 개발을 위해 손을 잡았다. 지난 9월 산학연 등 총 27개 기관, 230명 국내 전문가로 구성된 ‘전기차-2차전지 융합 얼라이언스’를 구축했다. 1회 충전으로 400㎞ 주행 가능한 고밀도 배터리 개발이 목표다. 2020년까지 산업부 270억원, 민간 160억원 등 총 430억원을 투자한다. 얼라이언스 관계자는 “뒤늦게나마 정부와 연구기관, 업계가 함께 배터리 소재 개발에 나섰다는 점은 긍정적”이라면서도 “LG화학과 함께 국내 배터리 업계를 양분하는 삼성이 참여하지 않았다는 점은 다소 아쉽다”고 말했다.



인터뷰 | 김광주 SNE리서치 대표

소형 배터리 이미 중국이 한국 추월

Q 2차전지 시장에서 중국의 추격이 거세다.

A 스마트폰에 들어가는 소형 배터리 시장은 BYD 등 중국 업체 1~2곳이 확실히 한국을 앞섰다. 가격은 물론 품질도 중국보다 경쟁력을 잃은 것이 분명해 보인다. 소형 배터리 시장은 확실히 위기다. 다만 이 시장은 앞으로 크게 성장하는 게 아니라 계속 유지되는 시장이다. 2차전지 산업은 전기차 배터리 시장에서 승패가 갈릴 가능성이 높다.

Q 현재 세계에서 전기차 시장이 가장 큰 중국에 한국 기업 진출이 어려워졌다.

A 요즘 배터리 업계가 어렵다고 하는 이유도 중국 시장 진출이 막힌 탓이다. 현재 전기차 배터리 시장 절반 이상은 중국이 차지한다. 중국 정부는 자국 배터리 기업 실력을 키우기 위해 의도적으로 한국 기업을 배제하고 있다. 어느 정도 예상됐던 일이다. 이 규제는 단기간 해결되기 어렵고 적어도 내년까진 이어질 전망이다. 그럼에도 국내 업체들은 유럽이나 미국 등 글로벌 전기차 업체와 수주 계약을 맺고 있기 때문에 2~3년 뒤엔 상황이 나아질 것이다.

Q 전기차 배터리는 원천기술과 소재 개발이 취약하다는 우려 목소리가 크다.

A 사실이다. 원천기술은 일본에 많다. 소재도 일본과 중국 업체가 장악하고 있다. 하지만 원천기술 문제는 특허나 파트너십 등을 맺음으로써 해결할 수 있다. 원천기술만큼 양산기술도 중요하다. 이 부분에서 한국 업체는 다른 국가 대비 앞서 있다고 생각한다. LG화학과 삼성SDI의 전기차 배터리 수주량은 수십조원에 이른다. 셀, 배터리, 재료비 등 원가 경쟁력만 확보할 수 있다면 전기차 배터리 시장에서 승산 있다.

잠깐용어 *2차전지 충전해서 반영구적으로 사용할 수 있는 전지다. 친환경 부품으로 주목받고 있으며, 니켈-카드뮴, 리튬이온, 니켈-수소, 리튬폴리머 등 다양한 종류가 있다.

잠깐용어 *ESS (에너지저장시스템, Energy Storage System) 과잉 생산된 전력을 저장해뒀다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장장치를 말한다. 여기에는 전기를 모아두는 배터리와 배터리를 효율적으로 관리해주는 관련 장치들이 있다. 배터리식 ESS는 리튬이온과 황산화나트륨 등을 사용한다.

잠깐용어 *전고체 배터리 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만든 배터리를 말한다. 액체로 만들어진 기존 배터리는 양극과 음극이 만날 경우 화재가 발생할 위험이 있다. 전고체 배터리 전해질은 항상 고정돼 있어 구멍이 뚫려도 폭발하지 않고 정상 작동한다. 플렉시블 배터리를 구현하는 최적의 조건으로 평가받는다.

[김병수 기자 bskim@mk.co.kr, 강승태 기자 kangst@mk.co.kr / 일러스트 : 정윤정]

[본 기사는 매경이코노미 제1878호 (2016.10.12~10.18일자) 기사입니다]