전기차 배터리의 핵심 2차전지, 정말 환경친화적일까?

2차전지 4대 소재 톺아보기

시장에서 주목 받고 있는 2차전지의 4대 소재는 크게 1) 양극재, 2) 음극재, 3) 전해질(액), 4) 분리막으로 구분됩니다.

1) 양극재

그 중에서도 양극재가 가장 중요하다고 여겨지는데요. 그 이유는 2차전지 내에서 배터리의 용량과 출력(에너지 밀도), 그리고 수명을 결정짓는 핵심 요소이기 때문입니다.

2) 음극재

양극재 이외의 소재들을 살펴보면 우선 음극재는 양극재에서 나온 리튬이온을 저장 방출하여 전기를 발생시키는 역할을 합니다. 전통적으로는 ‘천연흑연’이 활용되었는데요. 천연흑연은 충전과 방전 효율이 떨어지고 배터리를 지속적으로 활용할 경우, 배터리 층이 부푸는 스웰링 현상이 부각되기 때문에 최근에는 인조흑연을 활용하고 있는 추세입니다. 차세대 음극재로 실리콘을 활용한 음극재를 활용하기도 합니다.

3) 전해질

전해질(액)은 쉽게 말해 2차전지 내에서 양극과 음극이 움직일 수 있게끔 역할을 수행하는 소재인데요. 주로 리튬을 활용합니다.

4) 분리막

분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하지 않게 분리하는 역할을 맡고 있기에, 2차전지의 화재와 폭발을 방지하면서 이온만 원활하게 움직이게끔 활용되는 소재입니다. 주로 동박, 구리 등이 쓰여요.

2차전지 소재의 핵심, 양극재

양극재는 앞서 언급한 것처럼 2차전지의 출력을 담당합니다. 양극재의 주된 원자재인 니켈은 배터리 고용량을 책임지는 원자재로 활용돼요. 리튬은 동일한 용량의 다른 배터리 무게 대비 낮은 부피를 차지하기에 배터리의 효율성을 높여주는 역할을 합니다. 코발트는 2차전지의 안전성 때문에 활용되고 있습니다.

양극재의 중요도는 단순히 그 역할에만 국한되지 않습니다. 양극재 원재료의 가격이 비싸다는 점 또한 기업들이 양극재에 대한 관심을 지속적으로 가지는 이유입니다. 2차전지 셀 원가 비중을 살펴보면, 양극재 원가가 차지하는 비중이 약 47% 수준이며 그중에서도 ‘리튬(Li)’이 차지하는 비중이 가장 큰 것으로 파악됩니다. 2차전지 내에서 리튬의 쓰임새가 가장 많기 때문입니다.

그만큼 많이 활용되는 것이 양극재 원재료인데, 이 양극재 원재료들의 변동성은 극심한 편입니다. 희소성과 채굴 과정 등이 복잡하기 때문으로 여겨집니다. 지난 화에서 언급했듯 배터리 셀 업체들이 앞다투어 수직계열화에 힘을 쏟는 이유로도 볼 수 있을 것 같습니다.

양극재 원재료의 특징

1) 니켈

니켈의 주요 생산지는 인도네시아와 호주가 각각 1위, 2위입니다. 두 국가가 차지하는 전세계 니켈 생산량 비중은 약 44% 수준을 차지하고 있을 정도로 영향력이 크다고 합니다. 특히 인도네시아는 니켈 원광을 비롯해 정광 수출까지 제한하는 행보를 보이는 등, 니켈 확보 및 유통망 관리에 힘쓰고 있는 국가이기도 하죠.

2) 리튬

리튬은 칠레, 호주, 아르헨티나 등에서 주로 생산되는 원자재입니다. 염호(소금 호수)에서 생산되는 리튬은 칠레와 아르헨티나와 같은 남미 지역에서 볼 수 있고, 광석 형태의 생산량은 호주에서 주로 볼 수 있습니다. 리튬은 매장량이 일부 한정된 국가에 편중되어 있지 않기에, 상대적으로 용이하게 채굴할 수 있습니다.

3) 코발트

코발트는 대부분 구리 광산 광맥에서 발견되는 광물로, 콩고에서의 매장량과 생산량이 가장 많습니다. 전세계 생산량의 약 70% 수준이죠. 다만, 코발트는 채굴할 때 생기는 환경오염 문제와 생산 과정에서 발생하는 아동 노동력 활용 등 때문에 ESG 측면에서 부당한 분쟁 광물로 구분되는 경향이 있어, 최근엔 잘 활용하지 않으려 하는 추세입니다.

한 가지 짚고 넘어가야 할 불편한 진실

친환경적이라 여겨지는 전기차 산업에 대해 짚고 넘어가야 하는 진실이 하나 있습니다. 전기차는 운행중에는 이산화탄소를 배출하지 않지만, 제조 단계에서는 기존 내연기관차보다 더 많은 이산화탄소를 배출한다는 사실입니다.

이는 2차전지 생산 과정에서 파생되는 이슈로, 니켈과 리튬, 코발트를 생산하는 과정에서 환경 오염을 초래하고 이산화탄소를 배출하기 때문입니다. 예를 들어, 현재 기술로는 리튬을 추출하는 과정에서 리튬 1톤당 50만 리터 이상의 물이 사용되며, 연간 6만 톤의 리튬을 생산하려면 최대 3000만 톤의 흙을 파내야 하기에, 주변을 황폐화시킬 우려가 높다는 것이죠.

다만 그렇다 하더라도 전기차를 사용하지 않을 수는 없을 겁니다. 전기차 밸류체인의 LCA(Life Cycle Analysis, 전과정평가)^*를 내연기관차와 비교해보면, 궁극적으로는 전기차의 이산화탄소 배출량이 상대적으로 적기 때문입니다.

* LCA: 제품 및 서비스를 포함한 모든 산업 활동이 환경에 미치는 영향을 평가하는 방법

2차전지 소재 생산 기업들도 제조와 생산의 에너지 효율을 높이고 재생에너지를 이용하는 등 온실가스 저감에 노력을 기울인다면, 2차전지 생산 과정에서 파생되는 이산화탄소 배출량 또한 감소될 수 있을 것으로 기대됩니다.

Edit 금혜원 Graphic 함영범 김예솔

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– 해당 콘텐츠는 2023. 9. 26. 기준으로 작성되었습니다.