테슬라의 배터리 내재화와 LG에너지솔루션

 

테슬라, 배터리 내재화 움직임

최근 Tesla의 배터리 내재화 움직임, 새로운 소재 구조 변화 가능성 등과 관련하여 3가지 기사가 언론에 보도되었다. Tesla의 목표는 명확하다. ‘차세대 저비용 고성능 배터리’를 ‘대량 양산’해 세계 최고 수준의 배터리 셀을 자사 전기차에 적용하겠다는 것이다. Tesla의 기가팩토리 가동이 점차 본격화될 것으로 예상되며, 건식 공정 도입을 포기하지 않았다는 측면에서 소재를 직납하는 업체들의 수혜 가능성에 지속적인 관심을 가질 필요가 있겠다.

 

테슬라 원통형 배터리 새로운 변화

 

1. 최근 테슬라 관련 기사 분석

1) Tesla, LG에너지솔루션에 전극 6조 주문(한국경제, 2024.04.22) : Tesla가 LG에너지솔루션으로부터 완제품인 배터리 셀이 원재료를 가공한 전극을 공급받기 위한 계약을 추진 중이다. 기사에 따르면 현재 세부 협의가 진행 중이며 하반기에 계약 체결이 예상되고 있다. 계약 규모는 6조원 규모로 양극 기준으로 추산할 경우 전기차 약 130~140만대에 탑재되는 물량으로 지난해 Tesla의 연간 생산량의 약 70%에 해당하는 규모이다.

 

2) 피엔티, 테슬라 원통형 배터리용 핵심 장비 진입(디일렉, 2024.05.29) : 피엔티가 Tesla 미국 텍사스 공장(기가텍사스)에 사용할 건식 방식의 배터리 전극 공정용 장비 공급 계약을 체결한 것으로 알려졌다. 현재 Tesla는 4680 배터리를 자체적으로 생산해 모델3, Y, 사이버트럭 등에 탑재한다. 

 

 

3) Tesla, 2170 배터리 업그레이드, 한국 소재 적용 확대(전자신문, 2024.05.29) : Tesla가 2170 배터리 성능 개선에 착수했다. Tesla는 올해 연말에 업그레이드된 2170 배터리를 선보이기 위해 협력사와 제품 출시를 논의 중이다. 신형 2170 배터리는 니켈 함량을 90%에서 95%로 높인 하이-니켈 양극재를 채택할 예정이다. 음극재도 달라진다.

 

음극재는 흑연에 실리콘 음극재를 적용할 계획이다. Tesla는 IRA법으로 인한 지정학적 리스크를 줄이기 위해 협력사들에 중국과 대만 이외 지역에서 소재와 부품을 공급받는 방안을 요구하고 있어 공급선 다변화에 따른 국내 업체들의 수혜가 예상된다

 

2. 테슬라의 목표는 차세대 배터리

일부에서 Tesla가 LG에너지솔루션에 전극 공급을 요청한 것에 대해 배터리 셀 핵심 제조 공정 중 하나인 전극 공정의 기술적 진입 장벽이 높아 내재화에 실패한 것이라고 보는 시각이 존재한다. 그러나 이를 조금 다르게 보는 시각도 존재한다. 물론 배터리 셀 제조 공정의 기술적 진입 장벽이 낮다는 것은 아니지만 Tesla가 개발 중인 배터리 건식전극 공정을 포기하지 않은 것으로 보인다. 

 

 

Tesla는 지난 2020년 배터리데이를 통해 기가팩토리에서 건식전극 공정을 적용한 배터리를 자체 생산할 계획임을 밝힌 바 있다. 전극 공정은 배터리의 양극과 음극을 구성하는 소재를 만드는 과정이다. 일반적으로 사용하는 습식전극 공정은 '슬러리 믹스-전극 코팅-건조-캘린더링(압연)-슬릿(절단)' 순서로 이뤄진다.

 

슬러리는 각 소재가 잘 섞이기 위해 용매(양극NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), 음극-물)를 사용하는데, NMP의 경우 유독성 물질이기 때문에 친환경적이지 못하고 인화성이 강해 수십~백미터 길이의 건조로를 수 시간에 걸쳐 지나야 한다. 이로 인해 전체 배터리 셀 제조 공정에서 약 20%의 원가 비중을 차지할 만큼 비용이 많이 든다. 

 

 

반면 건식전극 공정은 '소재 믹스-건식 코팅-슬릿(절단)' 과정으로 끝난다. 용매를 사용하지 않아 건조 공정이 필요 없기 때문에 공정 간소화에 따른 비용 절감 및 생산 시간 단축의 효과를 누릴 수 있다. 또한 초기 충방전 효율(ICE)이 향상되고, 전극 후막화가 가능해 높은 에너지밀도 구현이 가능해진다.

 

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3. 테슬라, 음극은 Ok, 양극은 글쎄

현재 미국 텍사스 기가팩토리에서 4680 배터리를 자체 생산 중인 Tesla는 이미 음극에 건식 공정을 적용 중이다. Tesla의 자체 4680 배터리가 양산 초기에 기존 2170 배터리 대비 에너지밀도가 낮았던 것도 건식 공정 때문이었던 것으로 추측되나 현재는 상당히 개선된 것으로 알려졌다. 음극은 양극에 비해 상대적으로 건식 공정 적용이 용이하며, 과거 슈퍼캐패시터의 흑연 전극을 건식 공정으로 코팅해왔던 Maxwell을 통해 양산 기술을 확보했을 것으로 보인다.

 

 

반면 양극은 아직 건식 공정에 어려움을 겪고 있다. 업계에서는 양극에 건식 공정 적용을 위해서는 이제 막 본격 양산이 시작된 단결정 양극재가 유리할 것으로 보고 있다. 다결정 구조 양극재는 건식 공정시 롤프레스 압착 과정에서 입자에 균열이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 건식 공정은 습식 공정에 비해 박막 저항이 커 동일한 단결정 양극활물질을 사용하더라도 상대적으로 에너지밀도, 출력 등이 낮을 가능성이 높아 이를 해결하기 위한 시간과 노력이 좀 더 필요하다.

 

 

4. 명확한 테슬라의 목표

esla의 목표는 명확하다. ‘차세대 저비용 고성능 배터리’를 ‘대량 양산’해 세계 최고 수준의 배터리 셀을 자사 전기차에 적용하겠다는 것이다. 이를 위해 건식전극 공정과 탭리스 구조를 적용할 계획이다. 상대적으로 제조 비용이 높은 전통적인 습식 공정으로는 적극적으로 캐파를 늘려 내재화 할 이유가 없다.

 

배터리 셀 업체 대비 셀 제조 경험이 부족한 Tesla가 습식 공정으로 배터리를 자체 생산할 바에 LG에너지솔루션, Panasonic, 삼성SDI 등 이미 충분한 기술력을 갖춘 배터리 업체들을 활용해 공급받는 것이 유리할 수 있다. 

 

그럼에도 불구하고 Tesla가 피엔티에게 건식전극 공정용 설비를 구매하고, LG에너지솔루션에게 전극을 구매한다는 것은 건식 공정 도입을 포기하지 않았으며, 성공 가능성이 충분히 있다고 보는 것으로 추측된다. 현 시점에서 Tesla는 양극과 음극 모두 건식 공정이 적용된 100% 건식전극 공정 라인을 꾸리는 것은 어렵다. 다만 셀에서 패키징에 이르는 모든 공정에서 양극을 제외한 나머지는 구축이 가능하다. 

 

 

원가절감을 위한 배터리 내재화를 준비하는 과정에서 지금 당장 양극에 건식 공정을 적용할 수 없다고 해서 일시적으로 습식 설비를 투자한 후 나중에 다시 건식 설비에 재투자하는 것은 비합리적이다.

 

따라서 음극 건식 공정을 통해 제한적이나마 제조 비용을 낮추고 공백이 될 수 있는 양극 전극은 잠시 동안 가교 역할의 LG에너지솔루션으로부터 공급받는 형태로 기가팩토리 공장 가동을 시작한 후 양극 건식 공정 양산 기술 개발이 완료되는 시점에 100% 건식전극 공정 라인을 완성 시켜 원가절감을 극대화시킬 가능성이 높을 것으로 전망된다.

 

 

 

 

5. 테슬라와 LG에너지솔루션

Tesla의 기가팩토리 가동이 점차 본격화될 것으로 예상되며, 건식 공정 도입을 포기하지 않았다는 측면에서 소재를 직납하는 업체들의 수혜 가능성에 지속적인 관심을 가질 필요가 있다. 대표적으로 단결정 양극재는 엘앤에프, 전지박은 솔루스첨단소재, 분리막은 SK아이이테크놀로지가 장기공급계약을 체결한 바 있다. 실리콘 음극재 공급 가능성이 높은 업체로는 대주전자재료가 있다. 

 

 

또한 Tesla는 양극에 건식전극 공정을 적용하기 위해 SW(Single-walled)CNT 분산재를 활용할 가능성이 있다. 건식 공정은 활물질과 활물질, 활물질과 도전재 간 계면저항이 크게 높아져 전자이동을 방해하기 때문에 습식전극 공정 대비 배터리 에너지밀도와 출력이 낮아지게 된다. 이를 해결하기 위해서는 양극활물질 전기저항과 계면 저항을 낮춰야 하는데 전자이동도 특성이 우수한 SWCNT를 도전재로 활용하거나 양극활물질을 SWCNT로 코팅하는 방법을 검토 중인 것으로 파악된다. 

 

관련 연구 결과에 따르면 기존 NCM811 양극재 대비 활물질저항과 계면저항이 각각 40~45% 가량 감소하며, 이를 건식전극 공정에 적용할 경우 습식 공정과 유사한 수준의 배터리 성능이 구현된다. 이를 함께 연구개발 중인 업체로는 나노신소재가 있다. 특히 실리콘 음극재와 SWCNT 도전재는 LG에너지솔루션의 2170, 4680 배터리에 새롭게 적용될 수 있다는 점에 주목해야 한다.

 

LG에너지솔루션은 올해 8월부터 9GWh 규모의 오창 공장 가동을 시작할 예정이며 2025년에는 미국 애리조나에 최대 36 GWh 의 캐파를 구축할 계획이다. LG에너지솔루션 4680 배터리에는 에너지밀도를 높이고 충전 시간을 줄일 수 있는 실리콘 음극재가 적용될 예정이기 때문에 주력 공급사인 대주전자재료의 수혜가 예상된다. 또한 실리콘 음극재가 적용될 때 필수적으로 같이 사용되어야 할 음극용 SWCNT 도전재 공급 업체는 나노신소재이다. 

 

 

현재 확정된 4680 배터리 캐파 증설 계획만 반영하더라도 2026년까지 가파른 수요 증가세가 예상되어 이들의 수혜 강도는 다른 소재 부품 업체들에 비해 클 수 있다. 특히 아직까지 2170 배터리에는 실리콘 음극재가 채택되지 않았지만 연말에 선보일 신형 2170 배터리에 실리콘 음극재가 적용될 계획이라는 점도 큰 호재이다. 현재 LG에너지솔루션의 2170 배터리가 생산되는 중국 남경 공장 캐파는 약 80GWh 규모이다.