2차전지 인사이트

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정용진 지음

원앤원북스 / 2024년 7월 / 344쪽 / 22,000원





1장. 전기사회의 서막, 2차전지의 미래



세계는 전기사회로

2차전지를 설명하려면 이야기는 전기에서부터 시작해야 합니다. 2차전지는 전기를 잘 활용하기 위한 제품이기 때문입니다. 오늘날 전기 없는 삶은 상상하기 어렵습니다. 휴대폰을 시작으로 무선 이어폰, 전자책 리더기, 태블릿PC 등은 필수품이 되었죠. 식당에서도 키오스크나 태블릿PC로 주문을 대신합니다.

우리는 말 그대로 ‘전기사회’에서 살고 있습니다. 전기의 중요성은 향후에도 줄어들지 않고 더 커질 것으로 보입니다. 그동안 전기의 사용은 완만하고 점진적으로 증가되어왔지만 향후에는 훨씬 급진적이고 가속화된 방식으로 커질 것으로 보입니다. 그 중심에 전기차 등 모빌리티의 전동화와 AI가 있습니다.

엘리베이터, 지하철, 기차 등 많은 이동·운송 수단도 전기를 사용합니다. 하지만 무거운 것을 움직이는 데 효율적인 기관은 아직까지 내연기관입니다. 자동차는 물론 선박, 비행기, 우주선 등 에너지 효율이 중요한 수단은 내연기관을 주로 사용하고 있습니다. 내연기관이란 가솔린, 디젤, LNG 등 탄화수소체를 연료로 삼는 장치를 말합니다. 문제는 연료로 사용하는 탄화수소물질이 열을 만나서 폭발하는 과정에서 산소와 결합해 온실가스를 발생시키는 것입니다.

내연기관이 지구온난화의 주범으로 꼽히면서 점점 자동차, 선박, 비행기와 같은 이동 수단을 전기 동력으로 바꾸는 전동화 과정이 이뤄지고 있습니다. 무거운 선박보다는 상대적으로 작고 가벼운 자동차가 전기로 움직이기 수월합니다. 문제는 전기의 수급입니다. 엘리베이터, 기차 등은 고정된 장소에서만 사용되거나 전선을 연결해 항시 전력을 수급받을 수 있었습니다. 하지만 동선이 자유로운 자동차의 경우는 전기를 공급받을 방법이 제한적입니다. 결국 내연기관 자동차가 연료탱크에 가솔린을 잔뜩 채우고 움직였던 것처럼 2차전지를 가득 싣고 움직여야 합니다.

OECD에 따르면 글로벌 최종에너지 소비량 중 수송 비중은 26.7%로 아직까지는 내연기관에 대한 의존도가 절대적입니다. 국내의 경우 최종에너지 소비량 중 수송 비중은 16.9%로 글로벌 평균보다 낮은 상황입니다. 국내에서는 전기의 대부분이 산업이나 상업, 공공장소에서 사용되고 있으며 수송에서 사용되는 전기는 극히 미미합니다.

한국에너지공단은 최종에너지에 대해 ‘1차에너지를 산업 공정 및 에너지 사용기기, 수송 수단 등 에너지 소비 부문에서 사용하기 편리하도록 변환·가공한 에너지’라고 설명하고 있습니다. 1차에너지는 ‘자연으로부터 직접 얻을 수 있는 에너지’로 석유나 석탄, 천연가스, 원자력, 신재생에너지원 등이 해당됩니다. 오늘날 최종에너지 중 전기의 비중이 늘어나고 있는데, 이것은 다양한 1차에너지를 전기로 전환해 사용하는 인프라가 확대되고 있다는 의미입니다.

결국 전기가 많아지기 위해서는 1차에너지를 활용해서 전기를 생산하는 과정, 즉 ‘발전’이 필요합니다. 최종에너지를 친환경적으로 바꾸더라도 1차에너지가 환경을 파괴한다면 의미는 없습니다. 결국 전기사회는 사용의 영역(최종에너지의 전기화)과 발전의 영역(1차에너지의 청정화)을 동시에 살펴봐야 합니다.

전기사회가 필요로 하는 배터리

전기사회에서 2차전지의 중요성이 커지는 이유는 2차전지를 통해 전기를 저장하고 사용할 수 있기 때문입니다. 2차전지라는 단어에서 ‘전지(電池)’란 전기를 화학적으로 저장하는 제품입니다. 그중에서도 ‘2차’라는 말이 앞에 붙는 2차전지는 충전과 방전이 연속해서 가능해 여러 차례 사용이 가능한 전지를 의미합니다. 재충전이 가능한 배터리라고 생각하면 이해가 쉽습니다.

전기의 특성을 생각해보면 전지의 중요성을 알 수 있습니다. 전기는 다양한 형태의 발전소를 통해 인공적으로 전기를 만들어야 합니다. 문제는 전기의 성질입니다. 전기는 항상 흐르며 멈출 수가 없습니다. 발전을 통해 전기가 생성되면 즉시 필요한 곳에서 쓰여야 합니다. 2차전지 산업이 커질 수밖에 없는 핵심적인 이유가 바로 이러한 전기의 즉시성에 있습니다.

전기의 성질을 설명할 때 가장 많이 사용되는 비유가 물입니다. 문제는 물은 저장할 수 있지만 전기는 물처럼 저장할 수 없다는 점입니다. 전기는 전자의 흐름을 의미하므로 전기의 저장은 전기 자체의 저장이 아닌 흐름의 저장입니다. 평상시에는 멈춰 있고 필요할 때 흐름이 지속되어야 합니다. 따라서 전지는 저수지(멈춘 물)가 아닌 댐(물의 흐름을 조정하는 장치)에 가깝습니다.

우리가 산업계에서 그리고 가정에서 전기를 시의적절하게 사용할 수 있는 이유는 발전소에서 생산된 전기를 한국전력이 적시적소에 공급하고 있기 때문입니다. 필요한 곳에 충분한 전기가 공급되지 못하면 정전이 발생합니다. 따라서 발전소는 항상 전기를 여유 있게 생산해야 합니다. 그럼 넉넉하게 생산하고 남은 전기는 어떻게 될까요? 전기의 흐르는 성질 때문에 여유분을 모아둘 방법은 없습니다. 이런 경직적인 전기의 특성을 유연하게 활용하기 위해 다양한 노력이 이뤄지고 있습니다.

이처럼 전기는 발전소에서 생산되는 에너지원이며 보관이 어렵고 필요할 때 실시간으로 공급되는 성질이 있습니다. 지하철과 기차는 긴 전선을 연결해서 전기를 공급받아 움직입니다. 그러나 승용차는 이러한 유선 방식을 쓸 수 없기 때문에 차량에 전기를 저장(충전)하고 내보내는(방전) 능력을 보유한 2차전지가 필요한 것입니다.

전기사회에서는 이미 무선화가 대세가 되면서 다양한 분야에서 전기를 저장하는 능력이 중요해지고 있습니다. 휴대폰, 청소기, 이어폰과 같이 우리에게 친숙한 도구들이 포터블해지면서 2차전지를 사용하게 되었습니다. 전기차는 이러한 변화 속에서 매우 큰 변곡점이 될 전망입니다.

모빌리티 혁명

1990년 ‘캘리포니아주 대기자원국(CARB)’은 자동차 산업을 충격에 빠뜨리는 정책을 발표했습니다. 향후 캘리포니아에서 팔리는 신차의 판매량에서 무공해차량(ZEV)의 비중을 의무화하는 내용이었습니다. 제시된 목표치는 1998년 2%, 2001년 5%, 2003년 10%입니다. 당시 미국 자동차 산업의 맹주였던 제너럴모터스(GM)는 이 규제에 대응하기 위해 350만 달러를 투자한 전기차 ‘EV1’을 출시했습니다. 결국 제대로 상업화된 최초의 전기차는 ‘EV1’이라고 볼 수 있습니다.

전지의 발전은 전기차 시장에서도 많은 변화를 낳았습니다. 1세대 모델은 18kWh 용량의 납축전지를 장착해 80~90km 주행이 가능했습니다. 이후 니켈수소 전지로 변경한 2세대 모델은 230km의 주행거리를 기록했습니다. ‘EV1’은 예상보다 양호한 성능과 미래 지향적인 콘셉트로 인기를 얻어 1996년부터 4년간 1천여 대가 생산되었습니다.

물론 ‘EV1’은 일장춘몽으로 끝났습니다. 지나치게 높은 제조비용도 부담이었고, CARB의 무공해차량 의무제도가 소송에 휘말린 점도 동력을 잃게 만들었습니다. 이후 2008년에 테슬라의 ‘로드스터’가 출시되었습니다. ‘로드스터’는 정부의 지원이 줄어든 시기에 제품의 상품성만으로 성공했습니다. 2차전지 용량과 주행거리만 보더라도 훌륭한 수준이었습니다. 당시 ‘로드스터’의 2차전지는 흔히 건전지로 생각하는 원통형 범용 배터리를 6,831개를 사용해 53kWh의 전지 용량과 300km 이상의 주행거리를 확보했습니다. 2차전지의 성능이 드디어 내연기관을 대체할 수 있는 수준까지 발전한 것입니다.

전기차 산업의 개화는 2차전지 산업 입장에서는 매우 큰 터닝포인트입니다. 전기차의 최대 핵심 성능인 주행거리가 2차전지의 성능과 정비례하기 때문입니다. 어떤 2차전지를 탑재하느냐에 따라 핵심 성능이 결정됩니다. 전기차에 탑재되는 배터리 팩의 무게만 400kg을 육박하기 때문에 추가하기도 힘듭니다. 결국 전기차 산업은 2차전지의 성능이 조기에 확정되어야 합니다. 제조 산업에서 핵심 성능을 미리 결정 짓는다는 것은 매우 중요한 요인입니다.

배터리의 성능을 결정 짓는 핵심 요인은 작은 부피에 많은 전기를 저장하거나, 낮은 무게에 많은 전기를 저장하는 것입니다. 배터리는 단순히 전기를 저장할 뿐만 아니라 충분히 가벼워야 의미를 갖습니다. 배터리 대용량화로 전기 저장량을 늘리면 성능이 개선될까요? 꼭 그렇지만은 않습니다.

자동차부품연구원의 전기차 중량에 따른 주행 효율 조사에 따르면, 차량 무게가 1kg 증가할수록 kW당 주행거리는 0.00429km씩 감소하는 것으로 나타났습니다. 즉 전기차는 무거울수록 성능이 저하됩니다. 따라서 주행거리 개선을 위해 더 많은 배터리를 사용하면 오히려 전체 성능이 저하되는 문제가 발생합니다. 전기차 산업에서 배터리는 단순히 저장성의 향상뿐만 아니라 부피나 무게의 밸런스를 잡아야 한다는 중대한 과제가 남아있습니다.



2장. 정치와 정책으로 맥락 읽기



자동차의 정치학

전기차와 2차전지가 정치적 분쟁의 핵심에 위치하게 된 이유는 무엇일까요? 가장 큰 이유는 자동차 산업의 규모가 워낙 크기 때문입니다. 강대국들은 자동차 산업을 핵심 산업으로 여기며 보호하고 있습니다. 세계자동차산업연합회(OICA)에 따르면 2023년에 팔린 자동차는 총 9,274만 대입니다. 매출 규모로 따지면 2조~3조 달러에 육박할 것으로 추정됩니다. 전 세계 반도체 산업의 규모 총합이 0.6조 달러 내외인 점을 감안하면 자동차 산업의 규모가 어마어마함을 알 수 있습니다. 국가별 생산량을 보면 중국이 3,016만 대로 1위, 미국이 1,061만 대로 2위, 한국은 424만 대로 5위를 기록했습니다.

이번엔 노동 시장을 살펴보겠습니다. 고용노동통계에 따르면 2024년 4월 기준 국내 노동자는 총 2,011만 명입니다. 이 중 제조업 종사자는 377만 명이고, 자동차 산업에 제조업 종사자의 약 10%인 36만 명이 재직하고 있습니다. 유럽은 제조업 종사자의 8.3%가 자동차 산업에 종사하고 있고, 미국도 비중은 비슷하며, 인원은 107만 명입니다.

자동차 산업의 양상이 정치적인 문제일 수밖에 없는 이유는 전기차로의 전환이 노동시장과 결부되어 있기 때문입니다. 내연기관 자동차 1만 대를 제조하기 위해서는 약 1만 명의 인력이 필요한 반면, 순수 전기차 1만 대를 제조하는 데 필요한 인력은 3,580명에 불과합니다. 자동차 산업의 특성이자 순기능 중 하나인 대규모 고용 창출이 위협받게 된 것이죠. 전기차로의 전환이 정치적인 문제와 엮이게 된 배경입니다.

국내: 보조금 시대에서 소부장 시대로

전기차 관련 정책을 보면 가장 먼저 ‘보조금’이라는 단어가 떠오릅니다. 전기차라는 불편하고 비싼 재화를 대중화하기 위해서는 무엇보다 정부의 정책적인 지원이 필요합니다. 국내의 경우 전기차 보조금을 환경부 예산으로 편성하며 2022년 말 발표된 환경부의 예산안을 보면 총 13조 원을 편성했고, 이 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 무공해차 보급 사업으로 약 2.6조 원이 배정되어 있습니다. 추가적으로 충전 인프라 구축 사업에도 약 5천억 원이 포함되어 있어 합치면 3조 원이 넘는 규모가 친환경차 보조금으로 책정되었습니다. 이 중 승용차에 배정된 규모는 1조 760억 원으로 차량의 가격, 주행거리 등 성능을 감안해 차등적으로 지급됩니다.

예를 들어 현대차 아이오닉6는 최대 680만 원, BMW iX3는 293만 원의 보조금을 받을 수 있습니다. 국고 보조금 외에도 지방자치단체에서 제공하는 지자체 보조금이 따로 있기 때문에 본인의 거주환경이나 구매 타이밍에 따라 조금씩 편차는 있습니다.

요즘 정부 정책을 보면 자국의 전기차 시장 확대를 위한 보조금과 인프라 정책도 중요하지만, 기업의 수출 역량을 고도화하기 위한 R&D 지원 및 2차전지 산업 생태계 구축에 힘을 쓰고 있다는 점이 눈에 띕니다. 이는 우리나라의 구조적인 경제환경과도 연관이 있습니다. 지리적 규모나 인구를 보면 내수시장의 한계가 뚜렷하기 때문에 수출 중심으로 성장을 모색할 수밖에 없습니다.

향후에는 2차전지 ‘소부장’ 업체로 정부 정책과 지원이 집중될 것으로 전망됩니다. 소부장이란 소재, 부품, 장비의 준말로 제조업의 제조·생산 과정에서 근간 역할을 하는 뿌리산업을 말합니다. 특히 2차전지의 경우 소부장업체의 역량이 더욱 중요해질 것으로 보입니다. 단순히 산업 경쟁력 측면뿐만 아니라 정치적인 이슈와도 연계되어 있습니다. 국내 대표 2차전지 기업인 셀 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온)의 경우 이미 해외 거점 확보에 주력하고 있는 상황입니다. 국내에서 생산해 수출하는 기존의 방정식에서 벗어나 해외 현지 수요를 공략하는 현지화 정책에 전념하고 있습니다. 실제로 2016년 32%에 불과했던 국내 셀 3사의 해외 설비 비중은 2022년에는 84%까지 상승했습니다.

수출입 통계를 통해서도 그 내용을 확인할 수 있습니다. 2차 전지셀 수출은 2021년 48억 달러를 기록하며 정점을 찍은 이후 2023년 20억 달러로 58% 하락했습니다. 반면 전기차 및 2차전지 소재 산업의 수출액은 고공행진 중입니다. 2차전지 4대 소재(양극활 물질, 음극활물질, 전해액, 분리막)는 2022년 121억 달러 수출을 기록하며 전년 대비 112% 증가했습니다. 2023년에도 135억 달러 수출을 기록하며 12% 성장했습니다. 2차전지 소부장 업체는 앞으로도 국내 수출을 견인할 것으로 보입니다. 또한 2차전지 장비 수출액은 2022년 기준 11억 달러인데 2027년에는 35억 달러 이상이 될 것으로 예상됩니다. 목표를 달성하기 위한 핵심 역량은 결국 R&D입니다. 2030년까지 민관이 연합해 20조 원 이상의 연구비를 지원하고 기술적인 초격차와 포트폴리오를 완성하는 것을 목표로 하고 있습니다.

다만 이러한 수출 방향성의 핵심은 자국 정책이 아닌 해외 정책에 달려있습니다. IRA, CRMA 등의 배타적인 전기차 지원 정책이 대세로 떠오르면서 과거처럼 국내 제조 역량을 바탕으로 수출 정책을 짜는 것이 아닌, 주요 전기차 수요국이 원하는 방식으로 공급망을 구축해야 합니다.

미국: 팃포탯

‘팃포탯(tit for tat)’이란 상대가 가볍게 치면 나도 가볍게 친다는 뜻으로 맞대응 전략을 말합니다. 상대방이 협력하면 나도 협력하고, 배신하면 나도 배신하는 즉각적인 대응이 팃포탯 전략입니다. 매우 단순해 보이지만 실제로는 승률이 대단히 높은 전략입니다. 최근 미국의 전기차 전략이 팃포탯의 형태를 보이고 있다는 생각이 듭니다. 미국과 전기차라는 게임판 위에서 주사위를 굴리는 상대방 플레이어는 당연히 중국입니다.

미국은 2022년까지도 전기차 시장의 성장이 더뎠습니다. 테슬라라는 역사적인 전기차 회사가 탄생한 곳이지만 정작 자국 시장의 규모는 미약했습니다. 2012년 테슬라가 모델S를 출시한 이후 미국 내 전기차 판매량은 매년 증가했지만 중국과 유럽에 비하면 속도가 뒤처졌습니다. 2014년 오바마 정권 당시 글로벌 전기차 판매량은 20만 대에 육박했고 이 중 30%가 넘는 7만 대가 북미에서 팔린 반면, 트럼프 정권 시기인 2020년에는 글로벌 전기차 판매량 200만 대 중 29만 대만이 북미에서 팔렸습니다. 글로벌 전기차 판매량 중 북미 비중은 14%로 절반 이상 감소했습니다.

이 시기 테슬라는 상하이 기가팩토리 유치를 결정하며 본격적인 외줄타기에 나섭니다. 테슬라가 미국 외 지역에 진출한 첫 번째 사례입니다. 2018년 말 착공한 중국 생산 거점은 착공 1년 만에 모델3, 모델Y 등 저가형 차종을 중심으로 양산에 돌입하는 빠른 행보를 보였습니다. 핵심 생산 거점을 미국에서 중국으로 옮기는 전략의 첫걸음이었습니다. 북미는 세미, 로드스터, 사이버트럭 등 차세대 차종의 시범생산 거점으로 활용하고, 양적인 확대는 중국을 활용하는 이원화 전략입니다. 중국 시장의 성장 속도를 생각해보면 당연한 선택입니다.