이차전지 승자의 조건 - 이차전지 주식으로 돈벌려면 꼭 이것만은 알아야 한다

최근 들어 2차 전지 시장의 움직임이 심상치 않습니다. 에코프로, 포스코 등 이차전지 소재업체의 주가가 유래 없이 수직상승을 하며 많은 투자자들의 이목을 집중시키고 있습니다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션(SK온)의 2차 전지 제조업체도 2차 전지 시장 활황과 더불어 주가가 상승하는 모습을 보이고 있습니다. 

다만 에코프로만 보더라도 동일 업종 PER이 31배인데 반해 75배 수준의 PER를 기록하고 있습니다. 빠르게 오른 가격은 또 빠르게 빠지기 마련인만큼 투자에 주의가 필요할 것 같습니다.

이번 포스팅은 올해 출간된 '이차전지 승자의 조건'이라는 책을 통해 이차전지가 무엇이고 어떤 산업생태 구조를 가지고 있는지 또 이차전지 경쟁에서 살아남기위해서는 무엇이 필요한지 알아보도록 하겠습니다. 이 책의 저자인 정경윤 님, 이상민 님, 이영기 님, 정훈기 님은 이차전지 관련 박사학위를 가지고 계시면서 산업계, 교육계를 넘나들며 활발한 활동을 하고 계신 분들입니다. 이차 전지에 대해서는 누구보다 정확하게 설명해 줄 수 있는 분들이죠. 

 

책의 내용과 제가 책을 읽으며 생각한 내용 위주로 내용을 정리해보도록 하겠습니다.

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이차전지란 무엇인가요?

결론부터 말씀드리면 이차전지는 '충전이 되는 전지'입니다. 리모컨에 사용하는 건전지의 경우 한번 방전이 되면 더 이상 사용할 수 없는데 이런 전지를 '1차 전지'라고 합니다. 1차 전지는 구조상 전극에서 산화환원 반응이 일어나면 역으로 환원산화 반응을 일으켜 충전을 할 수 없게 되어있습니다. 

반면 이차 전지는 방전후에도 전원 연결을 통해 역반응을 일으켜 충전이 가능한 전지입니다. 방전 시에는 음극에 있는 물질이 산화되어 전자를 내어 놓고 방출된 전자는 외부 도선을 통해 양극으로 이동합니다. 양극으로 마이너스(-) 전하를 띄고 있는 전자가 이동을 하니 전하 균형을 맞추기 위해 전해질의 양이온 (리튬 이온전지의 경우 리튬 양이온)이 전해질을 통해 양극으로 이동한 뒤 도선을 통해 이동한 전자와 결합하는 환원반응이 일어나게 됩니다.

이런 산화 환원 반응이 일어나는 이유는 양극과 음극의 전위차이 때문입니다. 물질마다 산화 환원 경향성인 이온화 경향성이 다른데 이온화 경향 차이가 큰 물질간에 산화-환원 반응이 일어나면 더 큰 전압이 생성됩니다.

 

반면 충전은 방전의 경우와 정확히 반대 방향으로 반응이 일어납니다. 외부 전원이 연결되며 양극에서는 강제적으로 산화반응이 일어나고 음극에서는 환원반응이 일어나며 충전됩니다. 양극에 모였던 전자가 다시 음극으로 이동하게 되는 것이죠.

이차 전지 시장이 커진 이유?

우선 스마트폰 시장이 커지면서 스마트폰에 들어가는 리튬이온전지 등 배터리 수요가 커졌기 때문입니다. 하지만 스마트 폰에 들어가는 배터리의 용량은 크지 않습니다. 이차 전지 시장이 급격히 커진 이유는 전기차 생산량이 늘어나면서 배터리 수요가 급격히 늘어났기 때문입니다. 예를 들어 테슬라 S모델의 경우 18650 규격 원통형 이차전지 7,000여 개가 연결되어 사용됩니다. 전기 자동차에 한대에 스마트폰에 필요한 배터리 수천 개가 들어가는 것이죠.

 

전기차 생산량이 늘어나게 된 이유는 지구온난화의 영향이 가장 크다고 볼 수 있습니다. 지구 온난화가 가속화되면서 지구 온난화를 막을 목적으로 2015년 12월 12일 파리 협정이 체결되었습니다. 국제 사회는 공동으로 노력해 지구의 평균 온도 상승을 2도 이하로 막아야 할 의무를 지게된 것이죠. 이 목표 달성을 위한 행동 지침으로는 온실 가스 배출량을 줄여야 한다는 것입니다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Chage, 기후변화에 관한 정부 간 패널)는 동 보고서를 통해 "전 지구적으로 2030년까지 2010년 온실가스 배출량 대비 45% 감축하고, 2050년까지는 순배출량을 0으로 만들어야 한다(net-zero)"고 제언했습니다. 

전기 자동차는 전기를 사용해 모터를 구동하므로 탄소 배출량은 0입니다. 또 전기생산 과정에서 재생에너지를 사용할 경우 생산과정에서도 탄소배출량이 0가 됩니다. 즉, Net-zero를 만들기 위한 수단으로 기존 내연기관 자동차에서 전기 자동차로 수요가 바뀌면서 전기 자동차의 핵심인 배터리 산업, 배터리 산업 중에서도 충방전이 가능한 이차 전지 시장이 활황을 맞이하게 된 것이죠.

각 국가별로도 내연기관 차량 판매 금지 시기를 정해 두었습니다. 미래에는 내연기관차를 박물관에서나 볼 수 있게될지도 모르겠습니다.

현재 이차 전지 시장의 특징

현재 이차 전지 시장을 주도하는 나라는 동아시아 국가인 한국, 중국, 일본입니다. 배터리 기술의 원천은 미국이지만 미국 이후 후발주자인 한중일이 현재 세계 이차 전지 시장 점유율의 대부분을 차지하고 있습니다. 하지만 이차전지 시장이 2035년까지 CAGR(Compound Annual Growth Rate, 복합 연간 성장률 ) 15.5 %로 예측되는 만큼 유럽과 미국에서도 시장규모 확대를 위해 뛰어들고 있는 만큼 경쟁이 갈수록 치열해질 것으로 보입니다.

 

아래는 지리적 분류에 따른 배터리 기술의 패밀리 특허 동향입니다. 특히 일본의 특허 기술 건수 증가율이 주목할만 합니다. 한때 소니와 같은 기업을 통해 배터리 시장을 점유하던 일본이었지만 후발주자인 한국과 중국에 점유율을 내주었습니다. 아래 특허 건수를 보면 배터리 시장에서 다시 재도약하려는 일본의 의지를 볼 수 있습니다.

한국의 경우 배터리 분야에서는 후발주자입니다. 미국 -> 일본 -> 한국 순서로 기술 흐름이 이어지고 있고 한국은 배터리 생산 및 패킹 기술에 강점을 보이며 세계 2위의 점유율을 유지하고 있습니다. (1위는 중국) 우리나라는 일본이 가지고 있는 소재 원천 기술분야에도 더 적극적으로 집중하여 일본이 무역보복 조치로 포토 레지스터 등 반도체 핵심 소재 수출금지 시 겪었던 문제를 이차 전지 분야에서는 겪지 않도록 투자를 해야 될 것입니다.

 

중국은 세계 1위의 내수시장을 가지고 있고 막강한 정부 지원으로 세계 1위 점유율을 기록하고 있습니다. 또 이차 전지의 주요 원자재를 자급할 수 있는 원자재 생산국이기도 하므로 우리나라가 중국과 경쟁을 하기 위해서는 BMR (Battery Metal Recycle, 폐 배터리에서 리튬 등 원료를 추출하는 기술)과 같은 기술력을 키워야 할 것입니다. 중국의 요소수 수출 금지로 인한 사태를 다시 겪지 않기 위해서 말이죠.

왜 리튬이온 전지인가?

결국 전지가 많이 팔리기 위해선 소비자의 니즈를 만족해야 합니다. 전기차 사용자 입장에서는 충전속도가 빨라야 하고 한번 충전으로 장거리 이동이 가능해야 합니다. 또 출력 파워가 강하고 안정성이 높아야 합니다. 

제조자 입장에서는 이런 소비자의 니즈를 만족시키면서도 가장 작은 가격에 생산할 수 있는 전지를 생산하기 원할 것입니다.

 

이런 소비자, 생산자의 니즈를 종합했을 때 현재 기술에서 가장 적합한 전지가 바로 리튬이온전지인 것입니다. 

내연기관차의 배터리는 납축전지가 사용됩니다. 납축전지는 안정적인 출력을 낼 수 있지만 무게가 무겁다는 큰 단점이 있어 전기차 배터리로 사용하기에는 부적합합니다. 

리튬이온전지는 양극에 니켈 비율을 높임으로서 출력밀도를 높일 수 있습니다. 전해질에 포함된 리튬도 작은 원자 크기로 인해 전해질을 빠르게 빠져나가며 출력을 높이는데 도움을 줍니다. 배터리는 충방전을 하면서 원래 가졌던 용량보다 용량이 줄어들게 되는데 리튬이온전지는 용량이 줄어드는 속도도 낮다는 장점을 가지고 있습니다.

다만 리튬이온을 녹이기 위한 전해질로 유기용매가 사용되는데 이는 리튬이온배터리의 안정성을 낮추는 요인이 됩니다. 리튬이온 배터리에 대한 기술 개발이 꾸준히 이루어지고 있는 만큼 앞으로 안정성을 훨씬 높이는 기술도 개발되지 않을까 기대해 봅니다.

이차 전지 시장의 미래

앞서 말씀드린 리튬이온전지의 안정성 문제를 개선하고 전기차 주행 거리를 높이기 위해 에너지 밀도를 더욱 높이기 위한 일환으로 전고체 전지 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 전고체 전지는 말 그대로 '전체가 고체로 된 전지, Solid Stage Battery)'입니다. 리튬이온전지가 유기물을 사용한 액체를 전해질로 사용한다면 전고체 전지는 전해질을 고체 물질을 사용한다는 차이점이 있습니다.

이런 차이점으로 전고체 전지의 용량이 늘어나고 발화위험이 낮아지게 됩니다. 리튬이온배터리의 액체 전해질은 온도에 따른 배터리 팽창이나 외부 충격에 의한 누액등 위험성이 존재합니다. 반면 전고체 배터리는 전체가 고체 상태이므로 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어서 더욱 안정성을 높일 수 있는 것이죠.

또 하나 주목할 만한 기술은 폐배터리 회수 기술입니다. 한국은 배터리 원재료 수급을 수입에 의존해야 하는 상황입니다. 폐배터리 회수 기술이 충분한 경제성을 가지고 상용화된다면 곧 쏟아져 나올 전기차 폐배터리에서 유용한 광물을 뽑아내어 수입의존도를 획기적으로 줄일 수 있게 될 것입니다.

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'이차전자 승자의 조건'을 통해서 이차 전지 시장의 현주소와 미래에 대해서 알아보았습니다. 책에서도 언급하였듯이 결국 이차 전지 산업도 사람이 하는 일입니다. 인재 육성에 집중을하고 또 국내 인력을 해외에 뺏기지 않도록 지속적인 노력이 필요할 것 같습니다.