전기차 배터리 | 전망 | 종목 | 재생 에너지 | 청정 에너지 | 배터리 기술

전기차 배터리 투자의 포인트에 대해 정리한 글입니다.

에너지 수요는 변동성이 매우 큰 반면 재생 가능 에너지, 청정 에너지는 안정적 공급 유지가 쉽지 않으므로 배터리를 이용한 저장이 필수적입니다.

재생 가능 에너지와 청정 에너지로의 전환이 이루어지며 전 세계가 전기를 주요 에너지원으로 사용하게 될 가능성이 높아지고 있습니다. 하지만 에너지의 수요는 매우 큰 일중, 연중 변동성을 보이며, 이에 대응하기 위해 탄력적인 공급을 유지하려면 배터리 기술이 필수적입니다.

 

지정학적 불안정성이 전기차 배터리 산업에 대한 수요를 높이고 있습니다. 많은 정부들이 청정 에너지 개발에 박차를 가하고 있습니다. 2015년 UN의 모든 국가들이 2030 Agenda for Sustainable Development에 서명했습니다. 그 데드라인이 가까워짐에 따라 제때에 목표를 달성하지 못할 것이라는 우려로 인해 개발 압력은 더 커지고 있는 상황입니다.

 

미국은 전기차와 배터리 등의 26개 프로젝트에 $2억 900만를 지원하기로 했습니다. 또한 2022년에 입법된 Inflation Reduction Act, 즉 인플레이션 감소 법안에는 개인용, 상업용 전기 자동차 사용을 육성하는 내용과 미국령 내에서 전기차 부품을 생산하는 것에 인센티브를 주는 내용이 포함되어 있습니다.

 

과거에 전기차에 대한 투자가 부족했다는 것은 미래에는 투자가 늘어날 것임을 의미하기도 합니다. 블룸버그에 따르면 2021년에 저탄소 에너지로의 전환에 투자된 자본이 $7550억에 달합니다. 2011년에는 $2640억, 2020년에는 $5950억이 투입되었음을 고려하면 엄청난 증가세입니다. 또한 블룸버그는 2022년~2025년 사이에 에너지 전환에 투자될 자금이 매년 $2.1조에 달할 것으로 보고 있습니다. 이는 2021년 한 해 총합의 3배가량의 규모입니다. 그리고 2026~2030년에는 $4.2조가 투입될 것으로 예상됩니다.

 

어떤 기술이든 1세대 제품들은 비싸고 퍼포먼스도 좋지 못합니다. 첫 번째 평판 디스플레이를 생각해보십시오. 첫 번째 핸드폰도 마찬가지였습니다. 벽돌 모양에 랩탑만큼이나 무거웠으니까요.

 

하지만 기술과 서플라이 체인이 자리 잡고 나면 가격은 떨어지고 품질은 좋아집니다. 이미 설치된 설비의 양과 가격과의 상관관계를 도식화한 것을 학습 곡선, 즉 learning curve라고 합니다. 리튬 이온 배터리의 경우 설치된 설비의 양이 두 배가 될 때마다 가격이 18.9%씩 떨어지는 러닝 커브를 보입니다. 리튬 배터리의 가격이 지난 30년 간 97%나 하락했다는 것입니다.

 

1991년에 1킬로와트시의 용량을 가진 배터리의 가격은 $7,500이었으나 2018년에는 $181에 불과하여 41배나 감소했으며, 지금도 가파르게 가격이 하락하고 있습니다. 리튬 이온 배터리의 생산 비용은 2014년에서 2018년까지 4년 간 절반으로 떨어졌습니다. 2018년에 테슬라 모델 S 75D(75 킬로와트시 배터리)에 들어가는 배터리의 가격은 $13,600였습니다. 하지만 같은 배터리가 1991년에는 $564,000였습니다.

 

하버드 대학은 앞으로 더 이상은 화석연료에 투자하지 않겠다는 선언을 했습니다. 대신 앞으로 $420억을 청정 경제에 투자하겠다는 계획을 밝혔습니다. 2020년 하버드 대학은 2050년까지 온실가스 배출을 0으로 줄이는 연구를 시작했습니다.

 

리튬 이온 배터리의 문제점

1970년대에 존 굿이너프 교수에 의해 개발된 리튬 이온 배터리는 지난 30년 간 에너지 저장의 주요 수단, 특히 수송용 에너지 저장고로 사용되었습니다. 배터리에 의해 구동되는 전기차는 유해 가스를 배출하진 않지만 다음과 같은 문제점을 가지고 있습니다.

 

원재료

호주와 칠레가 현재 리튬 생산에서 1, 2위를 담당하고 있습니다. 그리고 중국과 아르헨티나가 뒤를 잇습니다. 또한 중국에서 리튬, 코발트, 흑연을 처리, 정제하는 물량의 50% 넘게 담당하고 있습니다.

 

전기차 보급이 가파르게 늘어나며 배터리 서플라이 체인의 안정성이 문제가 됐습니다. 그리고 러시아의 우크라이나 침공 역시 이와 같은 문제를 악화시켰습니다. 동시에 코발트, 리튬, 니켈과 같은 원자재의 가격도 폭등했습니다. 왜냐하면 러시아가 전 세계 니켈 공급의 20%를 담당하고 있었기 때문입니다. 니켈의 가격은 지난 5년 간 80% 넘게 상승했으며, 지난 3년 간 50% 가까이 올랐습니다. 게다가 수요는 꾸준히 증가하고 있습니다. 예를 들어 전기차에 쓰이는 배터리를 제조하기 위한 리튬의 수요는 2030년까지 30% 이상 증가할 것입니다.

 

서플라이 체인 이슈

리튬 이온 배터리가 매우 흔한 것이긴 하지만 아시아-태평양 외에는 생산지가 거의 없습니다. 2021년에 전 세계 배터리 생산량의 90%가 아시아-태평양 지역에서 나왔습니다. 하지만 코로나 팬데믹과 러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 서구권에서도 리튬 이온 배터리를 생산해야 한다는 필요성에 강하게 제기되고 있습니다. 리튬 이온 배터리의 75% 이상이 중국에서 생산되고 있습니다.

 

유럽은 전 세계 전기차 생산 중 25%를 담당하고 있으나 서플라이 체인에는 거의 기여하지 못하고 있습니다. 미국 역시 배터리 생산량은 미미하여 7%에 불과합니다. 아시아-태평양 지역이 전기차와 전기차 배터리 생산의 대부분을 차지하고 있다는 의미입니다.

 

온도 민감성

리튬 이온 배터리는 섭씨 20도~25도 사이에서 최상의 퍼포먼스를 냅니다. 일반적인 조건이라면 리튬 이온 배터리는 섭씨 영하 30도에서 영상 60도의 기온을 견뎌낼 수 있습니다. 만약 충전 중이라고 하면 0도에서 50도 정도 사이라면 크게 문제가 없습니다. 하지만 고온의 환경이라면 온도를 작동 가능 온도 범위까지 떨어뜨려야만 합니다. 섭씨 70~100도 정도의 고온 환경이라면 배터리 팩 자체가 폭발하며 화제가 발생할 수 있습니다.

 

또한 리튬 이온 배터리는 고속 충전 중에는 반드시 식혀주어야 합니다. 왜냐하면 전류가 흐르며 배터리에 열이 발생하는데 이 열이 제대로 발산시켜주지 않으면 충전 속도가 떨어지게 되는 동시에 배터리 자체의 온도도 상승하기 때문입니다. 또한 0도 이하의 온도에서는 충전이 되지 않으므로 가열이 필요합니다.

 

대안

리튬 이온 배터리가 당분간은 시장에서 우위를 보일 것이므로, 더 안전하고, 더 안정적이고, 더 오래가고, 재생 가능하게 만드는 것이 목표입니다.

리튬 이온 배터리와 관련된 첫 번째 이슈는 작동 가능 기온의 범위를 최대한 넓히는 것입니다. 최근 발표된 논문에 따르면 극단적 온도에서도 작동할 수 있는 리튬 이온 배터리에 대한 논의가 벌어지고 있다고 합니다.

 

다른 문제는 리튬 이온 배터리의 수명에 관한 것입니다. 충전과 방전이 반복되면 최대 충전 용량이 자연스럽게 감소합니다. 휴대폰과 동일한 상황입니다. 새로운 휴대폰을 사는 가장 큰 이유 중 하나가 배터리의 지속 시간이 짧아지기 때문이니까요. 하지만 자동차는 핸드폰과 완전히 다릅니다. 배터리는 전기차의 무게 중 상당 부분을 차지하며 대부분 프레임에 완전히 부착되어 있어서 교체가 불가능합니다.

 

테슬라의 리서치 파트너인 Jeff Dahn은 2016년 이후 100년, 400만 마일을 갈 수 있는 배터리를 연구 중이라고 합니다. 테슬라가 현재 사용하고 있는 Lithium Iron Phophate 배터리는 리튬 이온 배터리보다 에너지의 밀집도는 낮지만 더 싸고, 더 오래가며 더 안전한 것으로 알려져 있으며, 12000번의 충전 방전 싸이클을 견딘다고 합니다. 하지만 Dahn의 NMC 532(400만 마일 배터리)는 2000 싸이클 이후에도 용량의 손실이 없다고 합니다.

 

리튬 이온 배터리의 대안

MIT의 교수인 Donald Sadoway는 aluminum-sulfur 배터리를 연구 중이라고 합니다. 실험에서 Sadoway의 팀은 알류미늄-황 배터리가 더 높은 충전 횟수를 견디고, 비용도 리튬 이온 배터리의 6분의 1 가량임을 입증했습니다.

 

다른 대안은 그래핀 배터리(graphene battery)로 매우 얇아서 2차원, 즉 평면의 형태로 가공이 가능하다고 합니다. 그래핀은 구리보다 열 전도율이 좋고, 더 가벼운 동시에 리튬-이온 배터리보다 에너지 밀집률이 5배 높습니다.

 

2017년 삼성은 그래핀 배터리 연구에 있어 획기적 돌파구를 찾았다고 발표했으나 그 이후로는 더 이상 뉴스가 없습니다.

 

다른 옵션은 BMW와 포드가 투자하고 있는 Solid Power 입니다. Solid Power는 전기차를 위한 solid-state 배터리를 생산하고 있습니다.

 

배터리의 재활용 관련 서비스를 제공하는 업체는 매우 적습니다

Umicore SA (UMICY)는 배터리에서 나오는 폐기물과 금속 등을 처리하는 업체입니다. 매출의 50% 이상이 유럽에서 발생한다고 합니다.

Li-Cycle Holdings Corp (LICY)는 캐나다에 본사를 둔 리튬 이온 배터리 재활용 업체입니다.

 

ETF

Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT)는 올해 들어 15%가량 떨어졌습니다. 하지만 지난 3년 간 180%가량 올랐었습니다. 

Amplify Lithium & Battery Tech ETF (BATT) 역시 올해 들어 25% 하락했습니다. 하지만 2022년 3월 저점으로부터 120% 오른 상태입니다. 

 

리튬 이온 배터리에 투자하고 싶다면 몇 가지 종목이 있습니다.

Albermarle은 전 세계 최대의 리튬 생산 업체입니다. 

 

Lithium Americas Corp (LAC)은 현재 3군데의 리튬 생산지를 개발 중입니다. 두 군데는 아르헨티나, 한 군데는 네바다입니다. 하지만 아직 리튬을 생산하진 못하고 있습니다. 

 

Livent Corp (LTHM)은 또 다른 리튬 생산업체로 아르헨티나에 생산지를 두고 있습니다. 

 

Piedmont Lithium Inc (PLL)은 미국에 기반을 둔 리튬 추출 업체이며 최근 들어 미국 정부부터 $1억 4170만을 투자받았다고 합니다. 

 

Freyr Battery (FREY)은 SPAC을 통해 상장된 노르웨이에 본사를 둔 청정 배터리 솔루션 업체입니다. FREY는 고집적, 저비용의 리튬 이온 배터리를 생산하겠다는 계획을 세우고 있습니다.

 

Enovix Corp (ENVX)은 리튬 이온 배터리에 들어가는 음극을 실리콘으로 제조하려는 계획을 세우고 있습니다.

 

SES AI Corp (SES)은 전기차에 들어가는 하이 퍼포먼스 리튬 배터리를 개발 중입니다.

 

Amprius Technologies Inc (AMPX)은 SPAC을 통해 상장되었으며, 고집적 리튬 이온 배터리를 위한 실리콘 음극을 제조합니다.

 

QuantumScape Corp (QS)은 차세대 솔리드 스테이트 리튬 메탈 배터리를 제조하기 위해 연구 중입니다.

 

전 세계는 이제 배출가스 제로의 시대로 이행하고 있습니다. 리튬 이온 배터리와 관련 부품들에 대한 수요는 당분간은 꾸준히 상승할 수밖에 없으며 아마 그곳에 엄청난 투자 기회가 기다리고 있을 것입니다.

출처 : nasdaq.com

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