LG엔솔, 캐나다에 첫 합작공장···한중일 배터리 '북미전쟁'

LG엔솔, 스텔란티스와 온타리오 합작공장

국내 배터리 3사, 북미지역 생산능력 확대

中CATL·日파나소닉도 미국에 공장 건설

한중일 배터리 제조사간 성능·가격 경쟁

글로벌 완성차 업체들과 손잡고 북미 전기차 배터리 시장 공략에 나선 LG에너지솔루션이 처음으로 캐나다에 합작공장을 설립한다.

LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI 등 국내 배터리 3사에 이어 세계 1위 중국 CATL, 3위 일본 파나소닉도 북미 공장 건설에 나서면서 한중일 3국 배터리 제조사들이 제품 성능과 가격을 놓고 치열한 경쟁을 벌이게 됐다.

저가 배터리의 성능을 개선하며 공세에 나선 중국계 업체에 맞서 국내 배터리 3사는 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리 개발에 박차를 가하고 있다.

배터리 3사 미국 전기차 배터리 공장 설립 추진 현황. 그래픽=박혜수 기자

◇LG엔솔, GM 이어 스텔란티스 합작공장 = 22일 외신과 업계 등에 따르면 LG에너지솔루션과 스텔란티스는 캐나다 온타리오주에 전기차 배터리 합작공장을 설립하는 방안을 오는 23일 공식 발표할 것으로 알려졌다.

양측은 지난해 10월 북미지역에 합작법인을 설립해 연간 생산능력 40기가와트시(GWh) 규모의 공장을 설립하기로 했다. 이후 유력한 공장 건설 후보지로 온타리오주가 지속적으로 거론돼 왔다.

LG에너지솔루션이 글로벌 완성차 업체와 캐나다에 합작공장을 설립하는 것은 이번이 처음이다.

LG에너지솔루션은 다른 완성차 업체 제너럴모터스(GM)와 합작법인 얼티엄셀즈(Ultium Cells)를 설립해 미국 미시간주 제1공장, 테네시주 제2공장을 건설 중이다. 올해 1월에는 미시간주 랜싱에 제3공장을 건설하기로 했으며, 상반기 중 제4공장 설립 계획을 발표할 예정이다.

스텔란티스와의 합작공장이 건설되면 LG에너지솔루션의 북미지역 전기차 배터리 공장은 총 6곳으로 늘어난다.

LG에너지솔루션은 오는 2025년까지 합작공장 설립과 단독공장 증설을 통해 북미지역에서 총 200GWh 이상의 생산능력을 확보한다는 계획이다.

LG에너지솔루션과 GM은 전체 합작공장의 연간 생산능력 목표를 120GWh 이상으로 정했다. 제1공장과 제2공장은 각 35GWh, 제3공장은 50GWh의 생산능력을 갖춘다.

이와 함께 미시간주 홀랜드 단독공장 증설도 추진해 연간 생산능력을 현재 5GWh에서 2025년 25GWh로 5배 늘릴 예정이다.

앞서 LG에너지솔루션은 올해 1월 국내 유가증권시장 상장을 통해 조달한 자금 10조1244억원 중 4조8178억원을 오는 2024년까지 북미지역 생산능력 확대에 투자하기로 했다.

글로벌 전기차 배터리 사용량 점유율 추이. 그래픽=박혜수 기자

◇韓배터리 핵심 거점에 中·日 업체 가세 = 북미지역은 LG에너지솔루션을 비롯한 국내 배터리 3사가 앞 다퉈 공략하고 있는 글로벌 핵심 생산 거점이다.

SK온은 미국 완성차 업체 포드와 합작법인 블루오벌(BlueOval)SK를 설립해 오는 2025~2026년 가동을 목표로 미국 테네시주, 켄터키주에 연간 생산능력 총 129GWh 규모의 합작공장을 건설하고 있다.

앞서 SK온은 미국 조지아주에 단독공장을 건설하기 시작해 2022~2023년 연간 생산능력 총 21.5GWh 규모의 제1·2공장을 차례로 가동한다.

삼성SDI는 지난해 10월 스텔란티스와 합작법인을 설립해 미국에 연간 생산능력 23GWh 규모의 전기차 배터리 공장을 건설하기로 했다. 이 공장은 2025년 상반기 가동을 시작해 생산능력을 2배 수준인 40GWh까지 늘릴 계획이다.

삼성SDI는 스텔란티스 외에 다른 완성차 업체와 합작공장을 설립하는 방안도 검토 중이며, 중장기적으로 미국에 단독공장을 설립하는 방안도 검토할 예정이다.

이 같은 상황에서 중국 CATL과 일본 파나소닉이 가세하면서 북미지역은 한중일 배터리 제조사간 격전지로 급부상했다.

배터리 전문 시장조사업체 SNE리서치가 집계한 2021년 연간 전 세계 전기차(EV·PHEV·HEV) 탑재 배터리 사용량 기준 점유율 1위는 CATL(32.6%), 2위는 LG에너지솔루션(20.3%), 3위는 파나소닉(12.2%)이다.

각국 현지 언론 등에 따르면 중국 CATL은 지난달 투자설명회를 개최해 미국 전기차 배터리 공장 건설 계획을 발표했다.

세계 최대 전기차 시장인 자국 내수를 등에 업은 CATL이 독일 이외에 해외 공장 건설을 추진한 것은 이번이 처음이다.

CATL은 주요 고객사인 세계 1위 전기차 업체 테슬라와의 협상 결렬설이 확산하는 가운데 미중간 갈등으로 중국 기업에 대한 수출 제재 우려가 높아지자 현지 공장 설립에 나선 것으로 알려졌다.

CATL은 이미 2020년 미국 켄터키주 글래스고 소재 공장 건물과 부지 일부를 매입한 것으로 전해졌다.

역시 테슬라에 전기차 배터리를 공급하는 일본 파나소닉도 미국에 공장 건설을 추진하고 있다.

파나소닉은 테슬라가 텍사스주에 건설하는 새 공장과 가까운 남부 오클라호마주 또는 중서부 캔자스주에 수천억엔을 투자해 배터리 공장을 건설할 계획인 것으로 알려졌다.

테슬라의 최대 배터리 공급사인 파나소닉은 해당 공장에서 대용량 신형 배터리를 생산해 테슬라에 공급할 것으로 보인다.

전기차 전고체 배터리 개발 추진 현황. 그래픽=박혜수 기자

◇배터리 전쟁 성패 좌우할 성능·가격 경쟁 = 국내 배터리 3사와 CATL, 파나소닉이 벌이는 북미 배터리 전쟁의 성패를 좌우할 핵심 요소는 배터리의 성능과 가격이다.

중국 배터리업계는 국내 배터리 회사가 주력 생산하는 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 비해 가격이 저렴하고 안전성이 높은 LFP(리튬인산철) 배터리를 앞세워 시장을 공략하고 있다.

LFP 배터리는 리튬과 인산철을 원재료로 만들어 NCM 등 삼원계 배터리에 비해 가격이 약 10~20% 저렴하고 화재 위험성이 낮은 것이 특징이다. 다만, 상대적으로 부피가 크고 무거운 데다 에너지 밀도가 낮아 순간 출력이 약하고 주행거리가 짧다.

NCM 배터리는 니켈, 코발트, 망간 등의 원재료를 사용해 가격이 비싸지만, 에너지 밀도가 높아 주행거리가 긴 것이 장점이다.

중국계 배터리회사들은 대규모 연구·개발(R&D) 투자와 전문 인력 채용을 통해 LFP 배터리의 단점을 보완하고 성능을 개선하고 있다. 배터리 셀에서 모듈, 팩으로 이어지는 기존 제조 공정 대신 셀을 팩에 바로 연결하는 'CTP(Cell to Pack)', 차체와 배터리를 일체화하는 '셀투샤시(Cell to Chassis)' 기술이 대표적인 예다.

CATL의 경우 지난해 가격이 삼원계 배터리의 절반 수준인 나트륨이온 배터리 자체 개발에 성공하기도 했다. 나트륨 이온배터리는 15분만에 배터리 80%까지 충전이 가능하고, 영하 20도에서도 90% 이상의 에너지 밀도를 유지한다.

파나소닉은 지난해 테슬라에 공급한 기존 배터리보다 용량을 5배, 출력을 6배, 주행거리를 16% 늘리고 충전 속도도 빨라진 '4680' 배터리 시제품을 선보였다.

4680 배터리는 지름 46㎜, 길이 80㎜를 뜻한다. 테슬라는 4680배터리를 장착한 전기차를 올해 출시할 예정이다.

이에 맞서 국내 배터리 회사들은 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재 배터리와 차세대 전고체 배터리 개발에 주력하고 있다.

국내 배터리 회사들은 배터리 용량을 늘리고 출력을 높이기 위해 양극재의 니켈 함량을 80%, 90%로 높인 하이니켈 배터리를 잇따라 선보이고 있다.

최근에는 전기차의 주행거리를 늘리고 안전성을 높여 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 전고체 배터리는 리튬이온 배터리 핵심 소재인 전해질을 고체로 바꿔 배터리 용량은 늘리면서 화재 위험은 줄일 수 있다.

LG에너지솔루션의 경우 차세대 배터리로 전고체 배터리와 리튬황 배터리 개발에 주력하고 있다.

특히 LG에너지솔루션은 업계에서 유일하게 고분자계와 황화물계 전고체 배터리를 모두 개발 중이다.

LG에너지솔루션은 또 업계 최초로 알루미늄을 첨가한 4원계 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 배터리, 에너지 밀도를 16% 높이고 주행거리를 20% 늘린 '롱셀(Long Cell)' 등을 통해 소재, 기술 차별화에 나서고 있다.

SK온의 모회사 SK이노베이션은 지난해 10월 전고체 배터리 기술 선도기업인 미국 솔리드파워(Solid Power)에 미화 3000만달러(약 353억원)을 투자해 전고체 배터리를 공동 개발하기로 했다.

양측은 기존 리튬이온 배터리의 NCM 양극재와 실리콘 음극재를 적용한 전고체 배터리를 개발하고 있다.

이를 통해 SK온은 배터리 에너지밀도 930Wh/L 이상을 구현한다는 계획이다. 현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리의 에너지밀도는 약 700Wh/L 수준이다.

SK온은 양극과 음극의 접촉을 차단하는 프리미엄 분리막과 분리막을 쌓는 'Z-폴딩' 기법, 특정 배터리 셀에서 화재가 발생했을 때 배터리 팩 전체로 번지지 않게 열을 차단하는 'S-팩' 기술 등 배터리 화재 예방과 확산 차단을 위한 기술도 보유하고 있다.

삼성SDI는 이달 수원시 영통구에 위치한 연구소 내에 약 6500㎡(약 2000평) 규모의 전고체 배터리 시험 생산 라인 'S라인'을 착공했다.

S라인에는 전고체 배터리 제조를 위한 극판과 고체 전해질 공정 설비, 셀 조립 설비 등 전용 설비가 설치된다. 삼성SDI는 S라인을 통해 기존 전고체 배터리 연구 성과를 점검하고 생산 기술을 확보할 계획이다.

앞서 삼성SDI는 고체 전해질 설계와 합성에 성공해 전고체 배터리 시제품을 만드는 등 기술 개발을 선도해왔다. 독자 리튬 금속 무음극 구조를 개발해 업계 최고 수준의 에너지 밀도와 안전성을 확보하기도 했다.