에너지
벌집 배터리, 고체 전지보다 경쟁 우위 가능성
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
세계를 전기화하는 배터리
배터리는 전기차와 드론, 휴대용 전자기기 등 여러 분야의 발전을 뒷받침합니다. 자기부상열차, 하이퍼루프, 우주 수송용 매스 드라이버같은 개념도 전력 공급과 저장을 필요로 하지만, 모두가 첨단 배터리만으로 구현되는 것은 아닙니다.
배터리는 낮에 생산된 태양광 전력을 저녁에 공급하거나 풍력 발전의 변동을 완화할 수 있습니다. 저장된 전기를 내보내는 것이며, 발전기 자체의 생산량을 늘리는 것은 아닙니다.
출처: Statista
리튬이온 배터리는 오늘날 중요한 에너지 저장 기술입니다. 이 기술의 개발에 기여한 연구자들은 2019년 노벨 화학상을 받았습니다. (개발의 역사는 관련 기사에서 자세히 소개했습니다).
리튬이온 배터리는 다양한 원인으로 성능이 저하될 수 있습니다. 특정 충전 조건에서는 음극 표면에 금속 리튬이 도금되고 수지상 구조가 자라 내부 단락의 위험을 높일 수 있습니다. 그러나 모든 정상 충전 주기마다 반드시 덴드라이트가 자라는 것은 아닙니다. 가연성 전해질 등 다른 요인도 화재 위험에 영향을 줍니다.
LFP, 즉 리튬인산철 배터리도 리튬이온 배터리의 한 종류입니다. 열적 안정성이 상대적으로 높지만, 운전 조건에 따른 성능 저하나 단락 위험에서 완전히 자유로운 것은 아닙니다.
출처: Nobel Prize
대안으로 나트륨이온 배터리와 전고체 배터리 등이 연구되고 있습니다. 전고체 배터리도 전해질을 사용하며, 그 전해질이 액체가 아니라 고체라는 점이 다릅니다.
CATL은 2024년 Shenxing PLUS 차량용 배터리의 벌집형 음극 소재와 TENER 고정형 저장 시스템을 각각 발표했습니다. TENER의 첫 5년 무열화 주장을 차량용 배터리의 5년 운행 실증으로 혼동해서는 안 됩니다.
벌집형 소재는 기존 리튬이온 기술의 개선 방향 중 하나입니다. 모든 전고체 배터리와 에너지 밀도가 같거나 더 우수하다고 일반화할 수는 없습니다.
벌집형 구조의 역할
충·방전 중 리튬이 전극에 드나들면 재료의 부피가 변합니다. 반복적인 팽창과 수축은 균열이나 접촉 손실을 유발할 수 있지만, 이는 리튬 도금과 구별되는 현상입니다.
CATL의 설명에 따르면 Shenxing PLUS는 양극에 입자 크기 조절 기술을 적용하고, 음극에는 독자적인 3차원 벌집형 소재를 넣어 부피 팽창을 제어합니다. 벌집 구조가 양극에만 있다는 설명은 잘못입니다.
벌집형 전극 구조 자체는 이전 연구에서도 다뤄졌습니다. 예를 들어 2020년 연구인 “새로운 미세 벌집 구조 기반 신축성 리튬이온 배터리”가 있습니다. 이 연구가 CATL 제품의 구체적 제조법을 입증하는 것은 아닙니다.
출처: Phys.org
회사는 10분 충전으로 주행 가능 거리 600km를 추가할 수 있다는 Shenxing PLUS LFP 배터리를 발표했습니다. 회사가 제시한 전체 주행 가능 거리는 1,000km 이상이지만, 실제 거리는 차량과 시험 기준, 기온 및 운전 조건에 따라 달라집니다.
600km를 10분으로 나누면 평균 초당 1km에 해당합니다. 그러나 충전 속도는 충전 상태에 따라 변하므로, 이를 근거로 1,000km를 16.6분에 완충한다고 계산할 수는 없습니다.
시스템 에너지 밀도
CATL은Shenxing PLUS 배터리 시스템의 에너지 밀도가 205Wh/kg에 도달했다고 발표했습니다.
음극의 벌집형 소재뿐 아니라 양극 재료, 셀 외장 및 팩 구조 개선 등이 함께 적용됐습니다. 단일 구조만으로 모든 성능이 설명되는 것은 아닙니다.
업체별 제조 세부 사항과 비교 조건은 다를 수 있습니다. 예를 들어 BYD 차세대 블레이드 배터리의 예상 에너지 밀도에 관한 보도는 회사의 확정된 양산 사양과 구별해서 읽어야 합니다.
제조 기술
CATL은 입자 크기 조절, 나노미터 캡슐화, 빠른 리튬이온 전도 코팅 등을 설명했습니다. 이는 소재와 이온 이동을 조절하는 기술이며, 모든 나노입자를 원하는 위치에 하나씩 배치한다는 뜻은 아닙니다.
높은 자동화 수준은 생산 규모와 일관성에 도움이 될 수 있습니다. 다만 특정 공장의 생산 주기를 제품 성능이나 모든 공장의 생산 속도로 일반화할 수는 없습니다.
2021년 벌집형 전극 연구는 구조의 기계적 특성과 전극 활용 가능성을 다룹니다. 이를 특정 상용 제품의 설계나 성능 검증과 동일시해서는 안 됩니다.
그래핀 기반 벌집형 구조는 실리콘 입자의 응집이나 부피 변화, 전도성 문제를 완화하는 방향으로 연구됩니다. 효과는 재료와 제작 방법에 따라 달라집니다.
문헌의 열처리·화학 처리 방법은 가능한 연구 사례입니다. CATL이 그 방법을 그대로 사용했다는 증거는 아닙니다.
출처: Chemistry Europe
출처: Chemistry Europe
기타 개선 사항
에너지 밀도가 높아지면 같은 에너지를 더 적은 질량이나 부피에 저장할 수 있습니다. 차량 수준의 이점은 팩 구조, 안전장치와 냉각 등 전체 설계에 달려 있습니다.
CATL은 Shenxing PLUS의 팩 구조에 모듈 없는 CTP 3.0 기술을 바탕으로 한 최적화를 적용해 공간 활용 효율을 7% 높였다고 설명했습니다. 이 발표를 CTB 기술로 옮기는 것은 부정확합니다.
단자와 열 관리 설계, 실시간 충전 전류를 예측·제어하는 AI 모델도 발표에 포함됐습니다. 이런 기능이 모든 상황에서 안전을 보장한다는 뜻은 아닙니다.
충전 인프라
급속 충전의 실제 편의성은 충전기 위치, 전력 용량, 차량 호환성과 혼잡도에 영향을 받습니다. 충전소 수만으로 충분한 네트워크를 판단할 수는 없습니다.
4C는 정격 용량을 기준으로 한 충전율입니다. 단순 환산하면 100kWh 배터리에 약 400kW 규모의 전력이 필요할 수 있지만, 손실과 전압, 충전 곡선 때문에 실제 조건은 달라집니다. 이를 1,000km 완충 시간의 보증으로 해석할 수는 없습니다.
CATL은 2024년 Star Charge, YKC, Shudao New Energy 등과 중국 내 Shenxing 급속 충전 네트워크 구축을 추진한다고 발표했습니다.
또한 31개 성급 지역의 271개 지급시에 걸친 600곳 이상의 서비스 거점을 계획했습니다. 이 수치는 충전기 자체의 개수와 다르며, 긴급 지원과 배터리 검사·정비 등의 서비스망을 가리킵니다.
LFP 및 전기차를 넘어
전력망 규모
CATL은 차량용 외에도 전력망과 산업용 저장 시장에 참여하고 있습니다. 리튬이온과 나트륨이온은 서로 다른 특성을 갖는 선택지입니다.
2024년 발표한 TENER에 대해 회사는 첫 5년 동안 용량과 출력 저하가 없다는 성능 주장을 제시했습니다. 이는 신제품이 이미 5년간 현장 운영을 마쳤다는 뜻이 아닙니다.
출처: Sustainability Environment
TENER와 Shenxing PLUS는 서로 다른 제품입니다. TENER의 설명만으로 차량용 제품과 같은 벌집형 소재를 썼다고 추정할 수는 없습니다.
TENER에 관해 회사는 생체모방 이온 채널을 갖춘 고체전해질 계면층(SEI) 과 자기조립 전해질 기술 등을 설명했습니다. 해당 주장은 시스템의 반응성과 안정성을 관리하기 위한 기술에 관한 것입니다.
성능 저하를 줄이면 고정형 저장 장치의 경제성에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 무열화 주장을 전체 수명이나 절대적인 화재 안전 보증으로 해석해서는 안 됩니다. 다른 저장 기술과의 비교는 비용과 사용 조건도 고려해야 합니다. 관련 내용은 “에너지 저장의 미래: 전력망용 배터리 기술”에서 다뤘습니다.
응축형 배터리
CATL은 2023년에 응축형 배터리도 발표했습니다. 공개된 설명만으로 Shenxing PLUS와 같은 벌집 구조를 사용한다고 단정할 수는 없습니다.
회사는 에너지 밀도를 최대 500Wh/kg으로 제시했습니다. 이 수치와 LFP 시스템의 205Wh/kg은 셀과 시스템 등 측정 기준이 같아야 직접 비교할 수 있습니다.
당시 회사가 제시한 개발 방향에는 다음과 같은 제품군이 포함됐습니다:
- 고급 차량과 전기 항공 등의 응용을 겨냥한 응축형 배터리. 항공 적용은 별도의 안전 검증과 인증이 필요합니다.
- 급속 충전과 긴 주행 가능 거리를 지향하는 Shenxing PLUS LFP 배터리. 10분 충전 주장을 완충 시간으로 외삽할 수는 없습니다.
- 나트륨이온 배터리 등 비용과 자원 공급의 다른 특성을 갖는 기술.
전고체 배터리와의 경쟁 구도는 아직 확정되지 않았습니다. 초기 전고체 제품의 경쟁력은 생산 규모뿐 아니라 성능, 안전성, 원가에 달려 있습니다.
출처: Nature
첨단 배터리 기술에 투자하기
배터리는 화석연료 사용을 줄이는 전기화의 중요한 구성 요소입니다. 성능과 비용의 개선이 다양한 응용에 영향을 줍니다.
배터리 관련 기업에 투자할 때 이용할 수 있는 증권사 정보는 여기 securities.io에서 확인할 수 있습니다. 국가별 안내에는 미국, 캐나다, 호주, 영국, 등 여러 나라가 포함됩니다.
개별 기업 대신 관련 테마 ETF를 살펴볼 수도 있습니다. 예를 들면 Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X의 Lithium & Battery Tech ETF (LIT), WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF 등이 있습니다. 각 펀드의 보유 종목과 위험은 다르며, 분산투자가 수익을 보장하지는 않습니다.
첨단 배터리 기업
1. CATL (300750.SZ)
CATL은 세계 전기차 배터리 시장의 주요 기업입니다. SNE Research를 인용한 회사 자료에 따르면 2023년 세계 전기차 배터리 사용량 점유율은 36.8%였습니다. 전 세계 모든 배터리 생산량의 절반 이상이라는 설명은 부정확합니다.
회사는 오랫동안 리튬이온 배터리를 개발해 왔습니다. 새로운 발표는 기존 기술의 개선 방향을 보여주지만, 모든 제품의 상대적 우위를 확정하지는 않습니다.
CATL은 여러 배터리 분야의 개발 결과와 목표도 소개했습니다:
- 전력 저장용 장수명 배터리 개발. 제시된 사이클 수는 시험 조건과 수명 판정 기준에 따라 평가해야 합니다.
- 2023년 Shenxing LFP 배터리의 10분 충전·400km 추가 주행 거리 주장. 이전 제품과 후속 PLUS 발표는 각각의 조건에 맞춰 비교해야 합니다.
- 최대 500Wh/kg을 제시한 응축형 배터리와 항공 응용 가능성.
- 나트륨이온 배터리 개발. 발표된 에너지 밀도와 후속 목표는 제품 세대와 개발 단계에 따라 구분해야 합니다.
출처: CATL
출처: CATL
CATL은 중국 내 배터리 재활용 시설 확충에도 대규모 투자를 발표했습니다. 회사는 공정의 금속 회수율로 니켈·코발트·망간 99.6%, 리튬 91%
를 제시했습니다. 이는 폐배터리 수거율이나 모든 시설에서 항상 얻는 결과와는 다릅니다. 생산, 연구개발과 재활용 능력은 경쟁력에 기여할 수 있습니다.
CATL의 고객과 협력사에는 Tesla (TSLA ) 등 여러 자동차 업체가 포함됩니다. 2024년에는 베이징현대와의 배터리 협력도 발표했습니다.
한 기술에서 얻은 경험이 다른 제품에 도움이 될 수는 있습니다. 그러나 아직 발표되지 않은 벌집형 또는 응축형 나트륨이온 배터리를 상용 제품처럼 예고할 근거는 없습니다.
2. BYD (BYDDY)
BYD는 전기차와 배터리를 함께 만드는 주요 기업으로, 여러 자동차 업체와 경쟁합니다.
회사는 배터리 사업에서 출발해 자동차로 확장했습니다. 전기차 판매를 비교할 때는 순수전기차와 플러그인 하이브리드를 구분해야 합니다. 특정 국가의 판매 순위도 시기와 차종에 따라 달라집니다.
BYD는 중국 자동차 수출 확대에 참여하고 있으며, 해외 생산도 추진했습니다. 예를 들어 헝가리 공장 건설 계획을 발표했습니다.
Seagull 같은 저가 전기차는 시장 확대의 한 방향입니다. 해당 차량의 LFP 블레이드 배터리를 나트륨이온 배터리라고 설명해서는 안 됩니다. 중국 내 가격을 다른 국가의 판매 가격과 바로 비교할 수도 없습니다.
BYD는 LFP 배터리 시장에서도 CATL과 경쟁합니다. 점유율을 비교할 때는 중국 내 특정 기간의 LFP 시장인지, 세계 전기차 배터리 시장 전체인지 구분해야 합니다.
해외 시장에서는 관세와 현지 규정이 수출 및 가격 경쟁력에 영향을 줄 수 있습니다.
중국산 전기차의 해외 수요는 국가별로 다릅니다. 남미, 아프리카, 중동이나 동남아 전체를 국내 자동차 산업이나 무역 장벽이 없는 하나의 시장으로 볼 수는 없습니다.
인구가 많다는 사실만으로 실제 구매 수요나 수입 정책을 예측할 수 없습니다. 소득, 충전 환경과 각국의 산업정책도 중요합니다.
현지 생산은 비용과 무역 조건에 영향을 줄 수 있지만, 공장 계획과 실제 가동 여부를 구분해야 합니다. 미래의 가격 경쟁력은 보장되지 않습니다.
