그린 니켈: 청정 에너지 미래를 이끄는 힘

세계는 현재 녹색 에너지 전환을 진행 중이며 배터리가 이 여정에서 핵심 역할을 하고 있습니다. 다양한 현대 기술의 필수 부품인 충전식 배터리는 스마트폰과 노트북부터 전기차(EV) 및 에너지 저장 시스템에 이르기까지 모든 것을 구동합니다.

배터리 종류 중 리튬 이온 배터리가 가장 대중적이고 널리 사용됩니다. 이 배터리의 핵심 성분은 지구에서 다섯 번째로 흔한 원소인 니켈(Ni)입니다.

니켈은 지각과 핵에 널리 존재할 뿐만 아니라, 철과 함께 운석에서도 흔히 발견됩니다. 토양과 물에 자연적으로 존재하며, 식물에 필수 영양소이기도 합니다.

니켈은 높은 녹는점(1453°C), 부식 및 산화에 대한 저항성, 높은 연성, 재활용 가능성, 실온에서의 자성 등 수많은 뛰어난 물리·화학적 특성을 가지고 있어 수십만 가지 제품에 필수적입니다.

특히 크롬 및 기타 금속과 쉽게 합금되어 스테인리스강 및 내열강을 생산합니다. 

연간 197만 톤의 스테인리스강과 21만 톤의 비철 합금에 사용되는 니켈은 전략적으로 매우 중요한 대체 불가능한 원소가 되었습니다. 이러한 적용은 제품 수명과 엔진 효율성을 각각 향상시켜 지속 가능성에 기여합니다.

스테인리스강이 니켈 사용량의 대부분(65%)을 차지하는 반면, 배터리가 두 번째로 큰 사용처로 16%를 차지합니다.

배터리에서 니켈은 더 높은 에너지 밀도와 더 큰 저장 용량을 낮은 비용으로 제공하기 위해 활용됩니다. 전기차 제조와 보급이 증가하고 에너지 저장 시스템이 에너지 수요와 공급을 균형 잡는 데 점점 더 중요해짐에 따라 니켈 수요는 상승세를 보이고 있습니다.

수치로 보면 현재 전 세계 연간 니켈 생산량의 70%인 300만 톤이 스테인리스강 부문에 투입되고, 2040년까지 배터리 생산에만 추가로 300만 톤의 니켈이 필요할 것으로 예상됩니다. 이 추가 니켈은 전기차에 사용되는 니켈 기반 배터리 전극을 통해 운송 부문의 탈탄소화에 의해 촉진될 것입니다.

그 결과 전 세계 니켈 수요는 연간 600만 톤으로 두 배가 될 전망입니다.

양이 풍부하고 품질이 복잡한 니켈 매장

니켈은 비교적 풍부한 금속으로 환경 곳곳에 존재하지만, 대부분은 미량에 불과합니다. 토양에 항상 존재하지만, 산화물, 황화물, 규산염 등 여러 광상에서 더 높은 농도로 발견됩니다.

전 세계적으로 니켈 자원은 약 3억 5천만 톤으로 추정되며, 주요 매장은 호주, 인도네시아, 남아프리카, 러시아, 캐나다에 집중돼 있습니다. 이 다섯 국가가 전 세계 니켈 자원의 50% 이상을 보유하고 있습니다.

지난 30년 동안 채굴된 니켈의 거의 80%가 이 기간에 이루어졌음에도 불구하고, 매장량은 계속 증가하고 있습니다. 이는 광산 기업들의 탐사 확대, 원격 지역 신규 매장에 대한 지식 향상, 특히 저품질 니켈 광석을 처리할 수 있는 기술 발전 덕분입니다.

니켈 생산에서 60%는 1.5–4 중량% Ni 함량을 가진 고품질 황화광을 기반으로 합니다. 나머지는 평균 Ni 함량이 1.5 중량%인 저품질 광인 라테라이트에서 공급되며, 이는 다시 사프롤라이트와 리모나이트 두 종류로 나뉩니다.

흥미롭게도, 육상에 존재하는 니켈 매장은 역으로 분포돼 있어 전체 자연 니켈의 60%가 라테라이트에 존재합니다. 반면 황화광 매장에는 전체의 40%만이 존재하며, 여기서는 주로 NiS, Ni2FeS4, (Co,Ni)3S4와 같은 이진·삼진 니켈 풍부 광물 형태로 존재합니다.

황화광이 선호되는 이유는 화학 구조가 단순해 전통적인 거품 부유법 등으로 불필요한 광물(광석 주변의 무가치 물질)과 니켈 함유 화합물을 효율적으로 분리할 수 있기 때문입니다.

물론 문제는 니켈 황화광 매장이 한정적이며 감소 추세에 있어 급증하는 전 세계 니켈 수요를 충족시키기 어렵다는 점입니다. 따라서 저품질이지만 풍부한 라테라이트에서 지속 가능한 니켈 생산이 필요합니다. 

이러한 매장에서는 니켈이 개별 광물 형태가 아니라 복합 마그네슘 규산염이나 철산화물에 용해된 형태로 존재합니다. 여기에는 (Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4 및 (Mg,Fe,Ni)3Si4O10(OH)2·4H2O와 같은 마그네슘(Mg)-규산염(사프롤라이트)과, (Fe,Ni)OOH 형태의 가돌린(리모나이트) 등이 포함됩니다.

저품질 니켈 광석의 화학·광물 복잡성은 하류 친환경 기술을 위한 니켈의 효율적·지속 가능한 추출을 제한합니다.

이 근본적인 문제를 해결하기 위해, 독일 막스 플랑크 지속가능 소재 연구소(MPI‑SusMat) 연구진은 탄소‑무, 에너지 절감형 새로운 기술을 개발해 스테인리스강, 배터리, 자석용 니켈을 추출했습니다.

전통적인 니켈 생산의 환경 비용

니켈이 배터리 제조에 핵심적인 역할을 하지만, 그 생산 과정은 대부분 금속 추출·가공과 마찬가지로 환경 친화적이지 않습니다.

니켈 생산이 환경에 미치는 부정적 영향에는 대기 오염, 수질 오염, 토양 침식, 토지 황폐화, 삼림 벌채, 유해 폐기물, 생물다양성 손실 등이 포함됩니다. 또한 니켈 생산은 에너지 집약적인 공정으로 온실가스(GHG) 배출에도 크게 기여합니다.

전통적인 니켈 생산은 톤당 약 20톤의 CO₂를 배출합니다. 2019년에는 전 세계적으로 약 1억 2천만 톤의 이산화탄소 상당량(CO₂e)이 니켈 채굴에서 발생했습니다.

MPI‑SusMat 연구에 따르면, 산업 전체의 탄소 발자국은 톤당 20~27톤 CO₂e에 달하며, 이는 강철(톤당 2.3톤 CO₂e)의 10배 이상입니다. 따라서 니켈은 채굴 시 환경에 매우 해로운 금속이라 할 수 있습니다.

CO₂ 배출은 기후 변화의 주요 원인으로, 니켈 생산 산업이 기후 중립을 달성하려면 탄소 배출량을 급격히 줄여야 합니다.

흥미롭게도, 전 세계적인 탄소 배출 감소 노력은 화석 연료를 전기로 대체하는 전기화 추세와 맞물려 있습니다. 그러나 이 전환은 니켈에 크게 의존하고 있어, 환경 부담을 금속 가공 분야로 전이시킬 위험이 있습니다. 연구의 제1저자인 MPI‑SusMat의 우바이드 만주르 박사는 다음과 같이 말했습니다:

“전통적인 방식으로 니켈을 생산하고 전기화에 사용한다면, 문제를 해결하기보다 단순히 옮기는 것에 불과합니다.”

그렇기에 연구진은 수소 플라즈마가 탄소를 대체해 광석에서 금속을 추출하는 새로운 방식을 제시함으로써, CO₂‑무 공정을 구현하고 에너지와 시간을 절감하는 지속 가능한 경로를 제공하고 있습니다. 특히 복잡성 때문에 간과돼 왔던 저품질 니켈 광석을 활용합니다.

현재 이러한 광석, 즉 Ni‑라테라이트의 산업적 처리 방식은 Ni‑보유 상의 결정구조와 광석 내 Ni·Fe 함량에 의해 좌우됩니다.

리모나이트 광석은 Ni와 MgO 함량이 낮아(<4 wt% Mg) 고압 산성 침출(HPAL) 방식을 통해 Ni와 코발트(Co)를 회수합니다. 이 과정에 필요한 에너지는 톤당 230~570 GJ에 달해, 강철 생산에 필요한 22 GJ를 크게 초과합니다.

이러한 우려스러운 상황 속에서, 연구팀은 탄소(C)와 황(S) 기반 환원제를 수소로 대체함으로써 직접적인 CO₂와 이산화황(SO₂) 배출을 최소화하는 접근법을 제시합니다.

또한 HPAL에서 사용되는 황산(H₂SO₄)과 같은 유해 산의 사용을 배제하고, 비용이 많이 드는 전·후처리 단계도 없앱니다.

수소 기반 1단계 니켈 가공 혁명

유럽 연구위원회(ERC)의 Advanced Grant 지원을 받아 진행된 이 연구는 Nature 저널에 게재되었으며, 새로운 니켈 추출 공정¹을 상세히 다룹니다.

그들의 전혀 다른 접근법은 수소 플라즈마를 이용해 건조된 광석을 한 번에 제련·환원하는 전 과정(smelt reduction)으로, 단일 금속학적 단계에서 진행됩니다.

이 공정은 소성, 제련, 정제를 하나의 단계로 통합합니다. 모든 작업이 동시에 하나의 용광로에서 이루어지며, 이를 통해 건조된 광석에서 고품질 페로니켈(철과 니켈의 합금)을 단일 단계로 직접 추출할 수 있었습니다.

‘단일 단계’란 건조된 광석을 투입해 전통적인 RKEF(회전 가마‑전기로) 경로와 비교했을 때, 하나의 금속학적 공정만으로 정제된 페로니켈을 생산한다는 의미입니다. RKEF는 건조된 광석을 소성한 뒤 전기로(EAF)에서 제련하고, 마지막으로 정제해 불순물을 허용 수준 이하로 낮추는 세 단계로 구성됩니다.

이에 반해 수소 플라즈마 제련 환원(HPSR) 공정은 이 모든 과정을 하나의 단계에서 수행합니다.

이 방법으로 연구팀은 빠른 환원 속도로 고품질 정제 페로니켈 합금을 생산했습니다. 용광로 분위기의 열역학적 제어 덕분에 실리콘(Si) 함량이 0.08 wt% 이하, 칼슘(Ca) 0.09 wt% 이하, 인(P) 거의 0 wt%에 이르러 불순물을 최소화했습니다.

“수소 플라즈마와 전기로 내부의 열역학적 과정을 제어함으로써, 저품질 니켈 광석의 복합 구조를 촉매 없이도 더 간단한 이온 종으로 분해할 수 있습니다.”

– Corresponding author Professor Isnaldi Souza Filho, head of the group “Sustainable Synthesis of Materials” at MPI‑SusMat

완전 재생 에너지로 가동 가능한 이 새로운 공정은 탄소 기반 연료와 환원제를 재생 가능한 전기와 수소로 대체합니다. 이를 통해 최대 18%의 에너지 절감과 최대 84%의 CO₂ 배출 감소를 달성할 수 있습니다.

연구 결과는 HPSR이 산화물과 규산염 모두에서 금속을 생산하는 지속 가능한 대안임을 입증했으며, 저비용·저품질 광물에 대한 원료 선택 폭을 넓혔습니다.

전반적으로 이 지속 가능한 접근법은 니켈을 친환경 에너지 기술에 활용하면서 생산 과정에서 발생하는 환경 피해를 최소화합니다. 동일한 공정은 또 다른 핵심 배터리 원소인 코발트에도 적용될 수 있습니다.

특히 공정의 산업 적용을 위한 확대가 가능하다는 점이 주목됩니다. 이를 위해서는 고전류 단락 아크 구현, 가스 주입, 혹은 용광로 아래 외부 전자기 교반 장치 통합 등이 필요합니다. 이는 미감소된 용융물이 반응 인터페이스에 지속적으로 도달하도록 보장하는데, 바로 이곳에서 저품질 니켈 광석이 더 간단한 이온 종으로 환원됩니다.

이러한 방법은 기존 산업 공정에 쉽게 통합될 수 있는 잘 확립된 기술을 활용합니다.

그린 니켈에 투자하기

Tesla (TSLA )는 친환경 니켈 공급을 촉진하는 주요 기업 중 하나입니다. 전기차가 니켈 함량이 높은 배터리에 크게 의존함에 따라, 이 회사는 호주에서 BHP(BHP )의 운영과 같이 배출량이 낮고 채굴 기준이 우수한 생산자로부터 공급을 확보하기 시작했습니다.

And when Tesla chooses greener nickel, it influences how the rest of the industry thinks about sourcing, which is why it plays such a central role in this space.

Tesla (TSLA ) 

2020년 2분기 실적 발표 콜에서 머스크는 “전기차 생산 증가에 대비해 고용량의 ‘환경 친화적 니켈 채굴’에 투자하라”고 광산업체에 촉구했습니다.

2022년에는 금속 기업 Talon(TSX:TLO)과 고품질 타마라크 프로젝트(미네소타)에서 니켈을 공급하기로 계약했습니다. Talon CEO Henri van Rooyen은 “배터리 재료를 직접 광산에서 배터리 양극까지 책임감 있게 생산한다”며, 업계에서 가장 낮은 내재 CO₂ 발자국을 가지고 있다고 강조했습니다.

동시에 Tesla는 Talon의 혁신적인 배터리 재료 개발·생산 접근법을 높이 평가했으며, 여기에는 탄소 영구 저장 및 새로운 소재 추출이 포함됩니다.

같은 해 Tesla는 캐나다 사업부를 통해 저탄소 니켈을 공급받기 위해 Vale과 장기 계약을 체결했습니다.

이전에도 Tesla는 시가총액 1277억 달러 규모의 호주 기반 BHP Group과 손을 잡고 전기차용 저탄소 니켈 생산에 참여해 배터리 공급망 회복력 강화와 탄소 배출 감소를 목표로 했습니다.

지난해 말, BHP는 Nickel West의 Mount Kit 및 Leinster 사업에 전력을 공급하기 위해 오프그리드 태양광 및 배터리 저장 시스템을 구축하기 시작했습니다.

이 프로젝트는 “BHP의 전 세계 사업 전반에 걸친 최초의 대규모 오프그리드 재생 에너지 사업”이며, 연간 최대 23,000대의 내연기관 차량을 도로에서 제거하는 효과가 있어 온실가스 감축 목표에 크게 기여한다고 BHP Nickel West 자산 담당 사장 Jessica Farrell가 밝혔습니다.

Tesla 주가는 현재 $340.20에 거래되고 있으며, 올해 현재까지 약 14% 하락한 상태이지만 지난달 $217.80 저점에서 회복세를 보이고 있습니다. 이 회복으로 TSLA 주가는 2024년 12월 사상 최고가($484) 근처까지 서서히 상승하고 있습니다.

현재 Tesla의 시가총액은 $1조를 넘어섰으며($1.2조), EPS(TTM)는 1.82, P/E(TTM)는 191.36입니다.

한편 2025년 1분기 재무 결과에 따르면 매출은 전년 대비 9% 감소한 $213억을 기록했습니다. 자동차 매출은 20% 급감해 $140억이었으며, 크레딧 매출은 37.7% 증가해 $5.95억, 에너지 생성·저장 매출은 67% 상승해 $27.3억을 기록했습니다.

또한 순이익은 $4.09억(주당 12센트)으로 감소했으며, 영업이익은 $4억으로 2.1% 영업이익률을 보였습니다.

판매 인센티브와 평균 판매 가격 하락 외에도, 이 감소는 Model Y SUV의 리프레시 버전을 생산하기 위해 공장 라인 업데이트가 필요했기 때문이라고 분석됩니다.

이 기간 동안 Tesla는 362,000대 이상의 차량을 생산하고 336,000대 이상을 인도했습니다. “모든 네 공장의 Model Y 라인 전환으로 1분기에 몇 주간 생산이 중단됐지만, 새로운 Model Y의 생산량은 순조롭게 증가하고 있다”고 회사는 보도 자료에서 밝혔습니다.

Tesla는 2025년 1분기에 10.4 GWh 규모의 에너지 저장 제품을 배치했습니다. 회사는 AI 인프라 성장으로 인해 이 부문이 전력망 안정화에 “큰 기회를 제공한다”고 언급했습니다.

주주 서한에서 Tesla는 급변하는 무역 정책이 시장에 “불확실성”을 초래하고, 이는 해안 및 공급망에 부정적 영향을 미친다고 경고했습니다. “동적”이며 “변화하는 정치적 정서”가 단기적으로 제품 수요에 영향을 미칠 것으로 예상된다고 밝혔습니다.

이와 동시에 Tesla는 중국의 저가 경쟁업체와 Alphabet의 (GOOG ) Waymo와 로보택시 분야에서 경쟁하고 있습니다. 

결론

니켈은 청정 에너지 전환의 기반이지만, 기존 추출 방식은 환경을 해치고 그 자체가 목표로 하는 지속 가능성을 저해합니다.

이러한 배경에서 수소 플라즈마 제련과 같은 혁신은 니켈 생산을 탈탄소화하는 유망한 경로를 제시합니다. MPI‑SusMat의 그린 니켈 생산 방식은 운송 부문의 친환경 전동화를 위한 문을 열어줍니다. 또한 저품질 광석에서 만든 니켈 합금은 스테인리스강 생산에 직접 활용될 수 있으며, 추가 정제를 거쳐 배터리 전극 소재로도 사용할 수 있습니다. 공정 중 발생하는 슬래그(폐재)조차도 건설 산업에 유용한 자원으로 활용될 수 있습니다.

따라서 새로운 지속 가능한 니켈 생산 공정은 전기차와 전력망 저장의 규모 확대와 발전에 큰 잠재력을 제공하며, 더 푸른 미래를 약속합니다!

클릭하면 상위 배터리 금속 및 재생 에너지 채굴 주식 목록을 확인할 수 있습니다.

참고 연구:

1. Manzoor, U., Mujica Roncery, L., Raabe, D., & Souza Filho, I. R. (2025). Sustainable nickel enabled by hydrogen-based reduction. Nature, 641(8062), 365–373. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08901-7