배터리 적게 싣고, 오래 달리려면 배터리 에너지 밀도가 관건
전기차 배터리 시장 주도하기 위한 기술경쟁 치열

삼성SDI가 지난 9일 열린 디트로이트 모터쇼에서 1회 충전으로 600km를 주행할 수 있는 고밀도 전기차 배터리를 공개했다. 제품 양산은 2021년에나 가능하지만 배터리 기술력을 과시하고 시장을 주도하겠다는 선전포고나 다름없었다. 앞으로의 전기차 배터리 기술경쟁은 에너지 밀도를 중심으로 이뤄질 것이라는 전망이 나오는 이유다.

전기차 배터리는 같은 부피에 에너지 밀도를 높이는 기술이 핵심이다. 기존의 내연기관차는 연비가 비교포인트였지면 전기차는 주행거리가 무엇보다 중요하기 때문이다. 미국 에너지부에 따르면 최근에 출시된 전기차 배터리의 에너지 밀도는 2011년 대비 60% 이상 높아진 것으로 나타났다. 현재 최대 주행거리를 자랑하는 전기차는 60kWh의 배터리를 탑재해 380km를 달릴 수 있는 GM의 볼트(Bolt)다. 국내에서 판매 중인 전기차의 배터리가 20~30kWh 수준인데 이보다 3배 가까이 많은 양이다.

하지만 대다수의 전기차 전문가들은 전기차에 탑재할 수 있는 배터리의 최대 용량은 90kWh가 한계라고 분석한다. 배터리 무게가 증가하면 주행성능이 떨어지거나 가격 상승으로 이어질 수밖에 없다. 배터리 무게 대신 차체를 가볍게 하려고 BMW는 탄소섬유를, 테슬라는 알루미늄을 사용하고 있지만 안전성이 떨어지는 단점이 있다. 결국 배터리의 에너지 밀도를 높이는 기술이 관건이다.

현재 글로벌 전기차 배터리는 한국, 일본, 중국 등이 시장점유율 95%를 점유하고 있다. 일찌감치 배터리 기술력을 쌓아 온 일본, 뒤늦게 이를 추격한 한국, 그리고 최근 무서운 속도로 성장하고 있는 중국 등 아시아 국가들의 강세가 눈에 띈다.

국내 기업으로는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션이 전기차 배터리를 개발·생산하고 있다. 그중에서도 LG화학은 전 세계 1, 2위를 다투는 기술력과 생산력을 자랑한다. 지난해 9월부터는 정부가 출범한 ‘고밀도 이차전지 개발 프로젝트’에 국내 배터리 제조회사 중에는 유일하게 참여하고 있다. 2015년 기준 150Wh/kg 수준인 전지 에너지밀도를 2배 이상 끌어올려 전기차 1회 충전만으로 400km를 달릴 수 있도록 만들기 위한 프로젝트다.

LG화학이 현재 주력 생산하는 배터리는 파우치형이다. 알루미늄 필름 형태의 파우치 안에 양극재, 음극재, 분리막 등 핵심소재를 담아 에너지 밀도가 높다. 최대 3㎜ 이하까지 두께를 얇게 만들 수 있어 다양한 차량 디자인에 적용할 수 있다는 장점도 있다. 표면적이 넓어 냉각도 쉽고, 그만큼 안전하며 수명도 길다.

LG화학 관계자는 “파우치형 배터리는 형태를 다양하게 변형할 수 있어 전기차 내부 공간을 최대한 활용할 수 있다”며 “전기차 제조업체마다 다른 전기차 구조에 맞춰 배터리를 개발할 수 있다”고 설명했다.

하지만 LG화학의 배터리 사업부문 매출은 매분기 적자를 기록하고 있다. 다만 적자폭이 점차 줄고 있다는 점은 긍정적이다. 지난해 3분기 배터리 부문 영업손실은 전분기보다 171억원 감소한 141억원을 기록했다. LG화학은 올해 배터리 부문에서 손익분기점을 넘기고 2020년까지 전기차 배터리 분야 매출 7조원을 달성하겠다고 밝혔다.

삼성SDI는 전기차 배터리 사업에만 향후 5년간 총 2조원 이상을 투자해 2020년에는 세계 최고 수준을 달성한다는 방침이다. 특히 지난 9일 공개한 고에너지 밀도 배터리 셀은 기존 배터리보다 에너지 밀도를 높이고, 급속충전 기술을 접목해 차세대 배터리로 꼽힌다. 단 20분만에 배터리 용량의 80%를 충전할 수 있어 전기차의 주행거리 한계도 해소할 수 있을 것으로 기대된다.

삼성SDI는 또 새로운 전기차 배터리 모듈 플랫폼인 ‘확장형 모듈’을 공개했다. 기존 전기차용 배터리 모듈 한 개엔 통상 12개 내외의 셀이 들어가고 용량도 2~3kWh 수준이지만, ‘확장형 모듈’은 모듈 1개당 24개 이상의 셀로 기존 대비 2배가 넘는 6~8kWh의 에너지 용량을 구현했다.

이와 함께 기존의 21700 원형 배터리는 에너지밀도, 출력 등 기본 성능을 향상시켰다. 올해 미국의 스타트업 자동차 회사들이 출시하는 전기차에 대거 탑재될 것으로 예상된다.

정세웅 삼성SDI 중대형사업부장은 “고객과 시장의 요구에 최적화된 첨단기술과 제품으로 글로벌 시장에서 전기차가 빠른 시일 내에 대중화 될 수 있도록 차세대 배터리 기술을 선도해 나갈 것”이라고 밝혔다.

SK이노베이션은 핵심 재료부터 배터리 셀과 패키징에 이르기까지 모든 생산 과정에 밸류 체인을 갖춰 전기차에 최적화된 배터리를 생산하고 있다. 자체 보유하고 있는 핵심 기술 덕분에 배터리 에너지와 출력 밀도 등은 세계 최고 수준의 성능을 확보한 것으로 알려졌다.

SK이노베이션의 가장 큰 장점은 독보적인 분리막 기술을 가지고 있다는 점이다. 분리막은 배터리의 양극과 음극 사이에 들어가 단락 현상을 막아 전지의 안전성을 높이는 역할을 하는만큼 성능과도 직결된다. 현재 글로벌 습식 분리막 시장에서 SK이노베이션의 점유율은 26%로 세계 2위를 차지하고 있다.

한편 SK이노베이션은 충남 서산 배터리 공장단지 내에 최대 3GW의 배터리를 생산할 수 있는 제2공장을 건설 중이다.

SK이노베이션 관계자는 “매년 증가하는 수요에 맞춰 생산라인을 늘려나갈 계획”이라며 “2018년 상반기 2공장과 1차 생산라인 공사가 완료되면 연간 전기차 배터리 생산능력은 현재 4만대 분량에서 7만대까지 늘어날 것”이라고 말했다.