세계 전기차 점유율 1위 회사 테슬라와 우주탐사 기업 스페이스X의 CEO 이자, 소셜미디어 X(전 트위터)에까지 손을 뻗은 일론 머스크의 전기가 최근 출간되어 주목을 받고 있다. 그는 전기차에서 어떤 미래를 본 것일까?

머스크는 한 인터뷰에서 지속 가능한 에너지와 자율주행차의 미래를 앞당기기 위해 테슬라를 설립했다고 밝힌 바 있다. 그는 “지속 가능한 에너지는 인류에게 닥친 가장 큰 위험에 대한 해결책”이라고 말한다. 머스크에게 있어 전기차는 석유를 많이 사용하는 자동차의 탄소 배출을 급격하게 줄일 수 있는 방법이자, 기후변화에 대응할 수 있는 중요한 해결 방안인 것이다.

탄소를 배출하지 않는 전기차가 도로에 다니고, 석탄 및 가스를 이용한 화력발전이 아닌 태양광패널과 풍력을 이용하여 불을 켜고 냉난방을 하는 청정에너지의 미래, 이것이 일론 머스크가 꿈꾸는 지속 가능한 에너지의 미래이다. 이 모든 것의 중심에는 배터리가 있다.

배터리의 역할

배터리는 전기차 등 수송부문뿐만 아니라 전력 발전에도 중요한 역할을 하고 있다. 태양광에너지와 풍력 등을 비롯한 일부 재생에너지는 석탄이나 천연가스, 원자력에너지와 달리 항시 발전이 가능하지 않다. 해가 뜨지 않거나 바람이 불지 않을 때를 대비해 에너지를 저장해야 하는데, 이처럼 간헐적으로 발전할 수 있는 태양광 및 풍력 에너지를 전력망에 통합하는 데에 배터리는 더더욱 중요해질 것이다. 뿐만 아니라, 전력 유틸리티(utility)들은 배터리를 전력 수요가 급증할 때만 가동되는 소규모(주로 천연가스) “피커 (peaker)” 발전을 대신해서도 사용하기 시작했다.

전기차의 역사

사실 전기차의 역사는 내연기관차의 역사보다 더 오래되었다. 최초의 전기차 “원유전기마차”는 1832년경 스코틀랜드의 발명가 로버트 앤더슨에 의해 발명되었다. 전기차는 1870년경 상용화되기 시작했는데, 이는 니콜라스 오토의 첫 내연기관차가 발명된 1864년과 비슷한 시기였다. 1897년에는 뉴욕에서 전기택시가 다니기 시작했고, 1900년이 되면 뉴욕에만 2,000여 대, 미국 전역에서는 3만여 대 이상의 전기택시가 운행되었다. 전기차 시대를 끝낸 것은 헨리 포드의 내연기관차 혁명이다. 포드가 컨베이어 벨트를 이용해서 자동차를 대량 생산하자 내연기관차가 급속히 저렴해졌고, 때마침 가솔린 가격이 저렴해지자 전기차는 한동안 역사의 뒤편으로 사라지게 된다.

전기차가 다시 부상하게 된 것은 리튬이온 배터리의 기술의 비약적인 발전 덕분이다.

리튬이온 배터리(Lithium-ion battery)란?

리튬이온 배터리는 다른 배터리에 비해 단위 무게당 저장 가능한 에너지가 커서 스마트폰이나 노트북 등 상대적으로 작고 가벼운 기기 혹은 전기차처럼 가볍고 작은 사이즈의 배터리가 필요한 경우 사용되는 배터리의 한 종류이다.

보통 배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막이라는 4개의 소재로 이루어져 있다. 양극(+)과 음극(-) 두 전극이 양쪽에 있고, 그 사이에 전해질과 분리막이 있는 것이다. 리튬이온 배터리는 리튬 기반 화합물을 양극재에 사용한다. 이때 어떤 화합물을 사용하느냐에 따라서 저장할 수 있는 에너지의 양과 리튬이온 배터리의 특성이 정해진다.

예를 들어 현재 우리나라는 니켈 함량이 높은 NMC(니켈-망간-코발트) 배터리를 주로 생산하고 있고, 중국은 LFP(리튬 인산철) 배터리를 주로 생산하고 있다.

리튬이온 배터리의 특성은 높은 에너지 밀도, 상대적으로 긴 사이클 수명과 낮은 방전율이다. 따라서 작고 가벼우면서 방전이 잦지 않은 배터리를 필요로 하는 전기차에 걸맞은 배터리 종류이다.

리튬이온 배터리는 1990년대에 소니가 캠코더에 사용하면서 상용화되기 시작했고, 개발자들의 2019년 노벨화학상 공동 수상에 이르기까지 계속해서 발전을 거듭해왔다. 현재도 배터리 제조 회사들은 리튬이온 배터리의 안정성, 에너지 밀도 및 수명을 향상시키는 데 중점을 두고 연구 개발을 이어나가고 있다.

배터리 산업의 향방은?

지금까지의 전기차 배터리 시장은 완성차(OEM) 회사들이 주도하고 있었다고 할 수 있으나 최근에는 전기차 배터리 회사들의 목소리가 점점 커지고 있다. 뿐만 아니라 배터리에 사용되는 광물 확보의 중요성이 대두되면서 전체적인 공급망에 대한 관심이 높아지고 있다.(지난 기사보기: 핵심광물 확보전쟁의 서막 열리나)

현재는 배터리 공급망의 대략 80% 정도를 중국이 장악하고 있으며, 우리나라는 배터리 셀과 전기차 시장에서 4위를 차지하고 있다. 중국에 대한 자원 의존도를 우려한 미국이 인플레이션 감축 법안(Inflation Reduction Act, IRA)을 통해 “탈중국화”를 시작하면서 우리나라를 비롯한 다른 나라들 또한 중국을 제외한 자원 보유국들로부터의 자원 확보에 적극적으로 나서고 있다. 이러한 트렌드는 추후 더욱 심화될 것으로 보인다. 우리나라의 뛰어난 배터리 산업을 더 발전시키고 이어나가기 위해서는 자원 확보를 위한 정부의 외교적 노력과 광물 제·정련 사업의 내재화에 관한 논의가 필요할 것이다.