지금 산업의 미래를 꼽아보라고 할 때 빠지지 않는 이름이 있다면 바로 '배터리'다. 배터리는 차세대 먹거리의 선두주자로 여겨지고 있으며 배터리를 향한 관심은 해당 업계뿐만 아니라 다른 산업군과 증권가까지 널리 퍼져있다.

'K-배터리'가 글로벌 시장에서 각광 받으며 사용될 수 있었던 것은 전기차 시장의 빠른 성장과 국내 배터리 업체들이 사활을 걸고 길러온 기술 경쟁력이 있었기에 가능했다.

하지만 중국 내수를 기반한 중국 배터리 업체들의 공세와 기술 역전을 노리는 일본 배터리 업체들의 맹추격은 국내 배터리 업계로 하여금 긴장을 늦출 수 없게 한다.

이제까지 한국이 '배터리 패권'을 지키는 데 사용한 배터리는 삼원계 배터리였다. 하지만 지금은 글로벌 경쟁에서 살아남기 위해 리튬인산철(LFP) 배터리 개발부터 전고체 개발까지 다각도로 투자하고 있다. 더 나아가 폐배터리 사업까지 살피며 글로벌 시장 공략에 바쁜 모습이다.

◆ NCM에 성능 올리던 K-배터리 LFP 개발 박차

8일 관련업계에 따르면 국내 배터리 3사라고 불리는 LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI는 '니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)'과 '니켈, 코발트, 알루미늄(Al)'을 조합한 삼원계 NCM 배터리와 NCA 배터리를 주로 생산했다. 니켈 함유량에 따라 에너지 밀도가 좌우되며 코발트와 망간은 배터리의 화학적 안정성을 높이는 소재로 쓰인다.

LG에너지솔루션은 여기에 알류미늄을 조금 더 섞은 NCMA 배터리도 생산하고 있다. SK온 NCM 배터리에서 니켈 비중을 90% 수준까지 높인 고성능 하이니켈 배터리를 판매하고 있다. 하이니켈 배터리는 에너지 밀도가 높아 주행거리와 출력 등 여러 방면에서 우수한 성능을 발휘한다. 니켈 함량을 높이면서 수명과 열적 안정성이 낮아질 가능성도 있지만 SK온은 자체 Z-폴딩 기술을 적용해 이를 보완했다. 이 기술은 배터리 내부 분리막을 지그재그 모양으로 쌓아 안정성을 높인 것이 특징이다.

삼성SDI가 주력으로 하는 NCA 배터리는 타 활물질 대비 출력과 에너지밀도가 높아 소형배터리 시장에서 두각을 드러내고 있다. 삼성SDI는 전기차용 배터리인 Gen.5 배터리에도 하이니켈 NCA 소재를 적용했다. 니켈 비중을 88% 이상으로 끌어올려 배터리 용량은 늘리면서 열화는 최소화하는 기술로 시장성을 높였다.

이렇게 NCM 배터리를 향한 기술력에 집중한 기업들이 눈을 시야를 넓힌 분야는 LFP 배터리다. 사실 몇 년 전까지만 해도 LFP 배터리는 '중국의 값싼 배터리' 정도로 인식하는 사람들이 많았다. 하지만 전기차에 대한 수요가 급속도로 증가하면서 가격 경쟁력 측면에서 LFP 배터리를 찾는 완성차 업체들의 니즈가 많아졌다.

LFP 배터리는 국내 3사가 차용한 삼원계보다 에너지밀도 측면에서는 떨어지지만 이른바 '가성비' 부분에서는 국내 배터리 보다 우위를 점했다. 또 인산과 철을 활용해 고온 및 과충전 상태에서도 안전성을 확보할 수 있어 전기차 안전에 예민한 소비자들의 니즈도 충족시켰다. 삼원계 배터리보다밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 단점이 있지만 폭발적인 수요는 국내 배터리사들이 LFP 개발에 뛰어들게 만들었다.

삼성SDI는 올해 2분기 컨퍼런스콜에서 "점차 확대되는 볼륨 및 엔트리 세그먼트향으로 NMX(니켈망간계 소재)와 LFP 플랫폼 개발을 적극 추진하고 있다"며 프리미엄향 NCA 중심으로 최상단 엔트리향 NMX LFP 기술까지 갖추겠다고 발표한 바 있다. 특히 삼성SDI는 "LFP 시장 진입이 중국 업체보다 늦은 것은 사실"이라고 인정하면서도 "기존 삼원계에서부터 보유한 당사의 공법과 소재 기술력을 바탕으로 고에너지밀도, 품질 안전성 및 현지 오퍼레이션 경험 등 여러 장점을 살려서 LFP 시장에서도 동종업체와의 차별화를 추진해가겠다"고 자신했다.

LG에너지솔루션은 연내 중국 남경 공장의 ESS(에너지저장장치) 라인 일부를 LFP 라인으로 전환한다. 또한 북미 지역 대응을 위해 지난 3월 미국 애리조나주에 ESS용 LFP 배터리를 생산하는 단독공장을 착공한 바 있다.

SK온은 대전연구소에서 LFP 시제품을 생산에 성공, SK온이 개발한 파우치형 LFP 배터리는 영하 20도 안팎의 저온에서 주행거리가 50~70%로 급감하는 기존 배터리의 단점을 70~80% 수준까지 끌어올린 것으로 전해졌다.

업계 관계자는 "LFP 배터리 시장은 현시점에서는 중국이 선점한 게 맞지만 국내 배터리사들이 NCM 배터리를 개발했던 저력으로 빠르게 접근 가능한 분야다"라며 국내 배터리 업계의 선전을 예측했다.

◆ '꿈의 배터리' 전고체, '다시 보는' 폐배터리

LFP 배터리 개발과 더불어 국내 배터리 업계는 전고체 개발과 폐배터리 재사용·재활용 분야에도 공을 들이고 있다.

먼저 전고체는 '꿈의 배터리'라고 불리며 배터리 3사와 일본 업체들이 연구에 매진하고 있다.

LG에너지솔루션은 2026년 고분자계 전고체 배터리 상용화를 목표로 연구개발 중이다. 이방수 LG에너지솔루션 사장도 "(전고체 배터리 관련) 개발을 계획에 맞춰 진행하고 있다"고 말했다.

SK온은 내년 하반기 전고체 배터리 시제품 개발, 2028년 상용화에 나설 계획이다. 이와 관련해 지난 4월에는 차세대 배터리 개발을 위해 2025년까지 대전 배터리연구원에 4700억원을 투자한다고 발표한 바 있다.

삼성SDI는 지난 6월 전고체 배터리 시제품 생산을 시작으로 올 하반기부터 고객에게 납품하는 샘플을 생산할 계획이며 오는 2027년 양산을 추진하고 있다. 최윤호 삼성SDI 대표는 올해 회사 창립기념일에서 "올해 하반기에는 전고체 배터리 파일럿 라인 구축해 시제품 생산을 시작할 것"이라고 밝히기도 했다.

이 밖에도 배터리 업계는 전기차 수요 급증과 글로벌 환경규제로 폭발적인 성장이 예상되는 폐배터리 사업에도 투자 중이다. 유럽연합(EU)을 필두로 핵심 원자재 재활용 의무화가 본격화되면 폐배터리 시장은 새로운 '금맥'이 될 가능성이 높다는 이유에서다.

LG에너지솔루션은 중국 1위 코발트 생산업체인 화유코발트와 배터리 리사이클 합작법인(JV)를 설립하기도 했다. 이는 중국 내 최초의 한중 합작 배터리 리사이클 기업으로 국가를 뛰어넘는 합종연횡의 사례로도 불린다. 신규 합작법인은 배터리 생산과정에서 발생하는 폐기물인 스크랩(Scrap), 수거된 폐배터리 등에서 핵심 원재료인 니켈, 코발트, 리튬 등을 추출한다.

삼성SDI도 2019년 천안과 울산 공장에 배터리 원자재를 회수하고 배터리 제조에 재활용하는 체계를 구축했으며, 헝가리, 말레이시아, 미국 등 해외 거점에도 원자재 재활용 생산 시설을 확대할 예정이다. 지난 5월 연구소 내 '리사이클 연구 랩(Lab)'을 신설하기도 했다.

배터리 재활용 시장은 배터리와 관련된 회사라면 '필수'로 여겨야 할 정도라는 말이 나올 정도로 중요도가 날로 올라가고 있다. 박재범 포스코 경영연구원 수석연구원은 "폐배터리 재활용 사업은 배터리 원재료를 확보하는 동시에 배터리 원자재 공급망을 안정화하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.