※ 전기차 전용 플랫폼과 배터리 폼팩터의 변화 (파우치에서 다양한 폼팩터로)

본격적인 전기차의 시작을 연 GM의 볼트EV와 닛산의 리프와 같은 전기차들이 파우치 폼팩터를 채택하면서 파우치형 배터리가 초기 전기차 시장의 주요 폼팩터가 채택되었습니다.

당시 볼트EV와 Leaf와 같은 초기 전기차들은 내연차의 플랫폼을 사용하였기 때문에, 형태 가공성에 있어 장점을 지니고 있는 파우치형이 보다 적합하였습니다. 즉 내연차 플랫폼의 빈 공간에 배터리를 자유롭게 재단하여 빈 공간에 배터리를 넣을 수 있었습니다.
또한 와인딩 공법을 사용하는 각형 대비 셀 당 에너지 밀도가 높고 셀당 무게도 낮은 장점도 지니고 있어 초기 전기차 시장에 가장 좋은 폼팩터였습니다.
에너지밀도와 무게는 주행거리와 직결되기 때문에, 상대적으로 주행거리가 중요했던 파우치형 배터리가 가장 좋은 선택지일 수밖에 없었습니다.

안전성 측면에서도 코발트와 망간의 비율이 높고(NCM111), 니켈의 비율이 낮아 배터리 안전성에서도 큰 문제가 발생하지 않았습니다.

내연차 플랫폼의 빈 공간을 자유로운 형태가공성을 통해 빈 공간에 최대한 많은 셀을 적재할 수 있고, 셀당 에너지 밀도가 높고 무게도 가벼운 파우치 배터리가 초기 전기차 시대에 매우 적합한 폼팩터였습니다.


● 테슬라의 등장

테슬라는 내연차 기반에서 탄생한 업체가 아니고 바로 전기차부터 시작한 업체였기 때문에 내연차의 플랫폼이 아닌 순수한 전기차 플랫폼을 가지고 시작한 업체였습니다.

때문에 테슬라는 전기차 전용 플랫폼을 통해서 배터리 전체가 팩을 통해 바닥에 깔리고 그 위에 구조물이 올라가는 현재와 같은 전기차를 만들 수 있게 되었습니다.

이러한 전기차 전용플랫폼의 적용으로 테슬라는 당시 가장 가격이 저렴하고 생산성이 높았고, 쉽게 구할 수 있었던 원통형 배터리를 통해 전기차를 만들며, 전기차의 패러다임을 바꾸는 역할을 하였습니다.


● 전기차 전용플랫폼과 하이니켈배터리, CTP 등

기존 완성차 업체들도 테슬라의 영향으로 전기차 전용플랫폼을 만들기 시작하였으며, 현대의 E-GMP, 폭스바겐의 MEB, GM의 얼티엄, BMW의 Neu Klasse(미출시) 등 다양한 전기차 플랫폼들이 등장하였고 파우치, 각형, 원통형 등 다양한 형태의 배터리 폼팩터들이 전기차에서 사용되기 시작하였습니다.

이후 하이니켈 NCM, LFP 등 다양한 양극소재의 배터리가 시장에 출시되었고, 또한 기존 셀-모듈-팩의 배터리 구조도 셀투팩, 셀투샤시, 셀투바디 등으로 발전하면서 다양한 폼팩터들이 각 완성차 업체와 배터리사에 상황에 맞게 전기차에 적용되었습니다.

특히 하이니켈과 실리콘음극재 등을 통해 에너지밀도가 높아지고, 모듈이 생략되는 CTP 방식의 적용이 활발해 지면서 배터리의 안전성 문제가 최근 이슈화되고 있습니다.
셀의 구조 상 파우치는 셀자체의 에너지밀도를 높게 구현시키는 것에는 유리하지만, 알루미늄 파우치 폼팩터의 기본적인 구조상 안전성이 상대적으로 떨어지는 단점이 있으며, 모듈 단계를 생략하는 CTP 적용도 타 폼팩터 대비 어려움을 지니고 있습니다. 특히 CTC, CTB의 적용은 더욱 더 어려운 문제점을 지니고 있습니다.

이런 이유로 최근 46파이 원통형 배터리와 각형배터리들이 OEM사들과 배터리 업체들의 주목을 끌고 있는 이유라고 할 수 있습니다.

전체적으로 각형의 적용이 좀 더 활발히 진행될 것으로 보이며,
중장기적으로는 울트라하이니켈+높은 실리콘 음극재를 채택한 배터리는 46파이 배터리가,
차체가 단단하고 무거우며 긴 주행거리가 필요한 픽업트럭이나 대형 SUV 전기차에는 CTP을 적용한 각형배터리 폭 넓게 적용될 것으로 보여집니다.
또한 볼륨 모델은 각형, 원통형, 파우치가 OEM사의 상황에 맞게 다양하게 적용될 것으로 보여집니다. 특히 고전압미드니켈이 상용화 되면 파우치형 폼팩터에 적용될 가능성이 높아 보이고 있습니다.

그리고 엔트리급 소형 전기차에는 LFP가 폭넓게 사용될 것으로 보여집니다.

※ 미국 태양광 셀 공급부족 Part. 1

● 미국 태양광 셀 시장

미국에서 태양광 셀 공급 부족은 최소 2-3년 지속될 것으로 보여짐.
보수적인 가정 하에 2024년부터 2026년까지 미국의 태양광 셀 공급 부족량은 각각 35.9GW, 18.9GW, 2.4Gw로 추산됨.

부족분은 반덤핑, 상계관세 대상인 동남아시아 4개국에서 관세를 지불하고 수입하거나, 인도, 터키, 유럽의 셀 제조업들로부터 조달 될 것으로 보여져, 어떤 곳으로부터 조달 받아도 수입가격이 높아질 것임.

미국과 미국 외 지역에서의 셀의 가격차이(프리미엄)는 8 - 10센트/W임.
현재 미국현지에서 생산되는 셀 제조원가는 동남아시아산 대비 W당 6-7센트 정도 높음.

미국, 인도네시아, 라오스 및 중동에서 태양광 셀 생산능력이 있는 업체는 미국에서 높은 프리미엄을 누릴 수 있음.


● 인도네시아, 라오스, 중동

인도네시아, 라오스, 중동에서 생산되는 태양광 셀은 중국이나 동남아 4개국과 같은 관세 제한을 받지 않아, 이들 국가에서 생산하여 미국으로 수출하면 높은 프리미엄을 누릴 수가 있음.


● 인도 및 터키의 태양광 셀

인도와 터키의 태양광 셀 기술은 중국업체들에 비해 뒤떨어지며 생산원가도 비교적 높음.

인도에서 생산되는 단결정 PERC 모듈의 가격은 23.8센트/W로 글로벌 평균 제조원가인 11.5센트/W보다 두 배 이상 높음.
인도산 태양광 셀은 중국 산 대비 약 3센트/W 높은 것으로 추정됨.
터키에서 생산되는 태양광 셀의 최저가격은 약 7.2센트/W로 중국산 대비 약 3센트/W 이상 높음.

인도와 터키에서의 태양광 셀 생산비용은 상대적으로 높으나, 미국으로의 태양광 셀 수출은 초과 이익을 낼 수 있을 것으로 예상됨.


자료인용 : Southwest Securities 발간 “해외 태양광 셀 시장 분석” (2024. 08. 06)

※ 기업의 의사결정 과정과 언론기사를 통한 투자의 위험성

기업의 의사결정 과정과 실행은 일련의 과정을 거치게 됩니다.

국제관계와 지정학 → 매크로 → 산업 방향성 → 고객사 의사결정 → 협력업체와 협의 → 협력업체 의사결정 → 대외 발표(공시, 뉴스 등)

“얼티엄셀즈 3공장 건설 일시중지”를 하나의 예로 들면, 이 결정이 뉴스로 보도되기까지 오랜 기간에 걸친 의사결정 과정이 있었을 것입니다.

예상보다 시간이 더 걸리는 탈중국 공급망 구축, 미국 대선의 불확실성(트럼프 리스크)과 같은 지정학과 정치적 상황에 전기차 시장의 성장률 둔화(캐즘) 현상, 기술적 트렌드의 변화(원가절감, 안전성 등)등이 맞물리면서 전기차 완성업체들(OEM)은 투자에 대한 의사결정 과정을 진행 중에 있었습니다.

GM은 사업환경 분석과 내부논의를 통해 방향성을 설정하고, 협력업체인 LG엔솔과 다시 협의를 진행하며, LG엔솔은 GM과의 협의를 바탕으로 또 다시 LG엔솔의 여러 협력사들과 의견조율 과정을 거쳐 관련 내용이 외부로 발표됩니다.

즉, “얼티엄셀즈 3공장 건설 일시중지”와 같은 내용이 기사를 통해 보도되어 투자자들에게는 새로운 소식으로 보여질 수 있으나, 회사 내부에서는 이미 꽤 이전부터 준비해왔던 사안입니다.


2024년 2월, GM의 메리 바라 회장이 한국에 방문했을 당시 얼티엄 2공장 3공장에 대한 논의도 LG엔솔과 있었던 것으로 추정됩니다. 당시 메리 바라는 얼티엄 공장들에 대한 폼팩터 변화(파우치에서 각형, 원통형 라인 추가) 검토를 요청이 있었던 것으로 보여집니다.

그리고 LG엔솔과 협력사들 간의 내부적 검토와 같은 일련의 과정을 통해 얼티엄 3공장에 대한 건설 일시중지와 같은 뉴스가 보도된 것으로 보여집니다.
추가적으로 율촌화학과 얼티엄셀즈 간의 1.5조 계약 취소도 이러한 과정의 부산물로 추측되고 있습니다.

이미 시장의 일부 참여자들은 그들의 인사이트(분석)와 네트워크를 통해 어느 정도의 대응을 했다고 생각되며, 이미 어느 정도는 해당 주가에 반영되어 있다고 생각됩니다.

때문에 현재 보도되는 뉴스들 보다는 이후에 어떤 일들이 2차전지 산업에서 벌어질지에 대해 고민해보는 것이 중요합니다.
예를 들면, 최근 해리스의 지지율 상승으로 이전까지 다소 움츠러들었던 북미 OEM사들과 배터리업체들이 해리스 당선 이후의 시나리오도 지금 고민하고 있을 수 있습니다.
또한 트럼프가 당선된다고 해도, 이후에 관세가 높아지면 해당 산업에 어떤 영향을 주게 될지에 대한 고민도 필요합니다.


● (추가 분석 없는) 언론기사를 통한 투자의 위험성

주식시장에서 언론기사는 투자자들에게 많은 영향을 줍니다.
특히 현실적으로 정보의 접근성이 제한되어 있는 개인투자자들의 경우 뉴스는 정보를 접할 수 있는 가장 좋은 루트가 되어줍니다.

하지만 정보소비의 최하단에 있는 개인투자자들에게 언론 보도(블로그, 텔레그램, 유투브 같은 SNS도 넓은 의미에서 포함)는 독이 되는 경우가 많으며, 다수의 투자자에게 정보가 동시에 전달되는 정보의 특성상, 단편적 내용을 통해 투자판단을 하는 경우 좋지 못한 결과로 이어지는 경우도 빈번합니다.
이러한 정보의 특성을 잘 알고 있는 일부 시장 참여자들은 실제 뉴스를 통해 투자자들의 심리를 역이용하는 경우도 종종 있는 것이 사실입니다.

때문에 단편적인 뉴스에 따라 투자결정을 하는 것에서 벗어나, 추가적인 분석을 통해 뉴스를 재해석하고 투자에 활용하는 것이 필요하다고 보여집니다.

투자자의 역량에 따라 분석의 범위는 한정될 수 있지만, 지정학, 매크로, 데이터, 산업, 기업 등 다양한 분석이 필요합니다. 개인적으로 한국 시장에서는 대주주와 시장 수급 분석도 매우 중요하다고 보고 있습니다.

테슬라의 배터리 내재화계획 후퇴와 리비안의 배터리 내재화 철회를 비롯하여 여러 유럽 신생 배터리업체들이 아직까지도 배터리 양산소식이 들려오지 않는 것에서 알 수 있듯 배터리 산업은 진입 난이도가 매우 높은 산업입니다.

기술개발(R&D)도 쉽지 않지만 특히 양산이 어려운 산업으로 신규업체들은 배터리 개발에 성공하였다고 해도 양산과정에서 발생하는 수많은 문제점으로 적자가 누적되며 사업을 지속하기 어려운 환경에 처할 가능성이 높습니다.

테슬라도 현재 이러한 과정을 겪고 있다, 최근 배터리 전극 외주화 및 외주물량 확대로 방향을 전환하는 것으로 보이며, 자원을 자율주행과 AI에 집중하려는 것으로 보여집니다.

글로벌 배터리업계는 상위 6개업체(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온, 파나소닉, CATL, BYD)로 재편될 것으로 보이며, 신규업체들의 설자리는 계속해서 줄어들 것입니다.

배터리와 마찬가지로 소재산업도 업력과 고객사와의 협력 경험(레퍼런스)이 중요한데, 기존 업체들은 오랜 기간에 걸쳐 다양한 사건사고를 겪으면서 노하우를 체득하고 이를 메뉴얼화하여 실시간 대응이 가능하지만 신규업체들은 아직 경험이 부족하여 즉각적인 문제 대처능력이 떨어질 수밖에 없습니다.

장기적으로 소재업체들도 규모의경제와 원가경쟁력을 확보한 소수의 업체들로 재편될 것으로 보이며, 레퍼런스와 수직계열화, 대규모 CAPA 및 원가경쟁력, R&D 능력을 확보하지 못한 신규업체들은 장기적으로 2차전지 생태계에서 살아남기 어려울 것으로 보여집니다.


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※ 배터리 양산이 어려운 이유.

1. 양산단계에서 변수가 너무나 많음.
2005 – 2007년 엘지에너지솔루션(당시 엘지화학)이 양산라인 문제가 있었고, 이를 해결하기 위해 문제점을 찾았는데 약 200개가 넘는 문제점이 발견되었음.
절반이 R&D 과정에서의 문제점, 나머지 절반이 생산현장에서 나오는 문제점이었음.

신규 업체들의 경우 배터리 개발만 하면 양산은 따라오는 것이라고 생각하는 경우가 많은데, 양산과정에서 발생하는 수많은 문제점이 발생함. 이 하나하나의 문제점을 해결하는 것이 기업의 노하우임.

신규업체들이 사업에 뛰어들거나 또는 기존업체라도 무리한 확장을 하는 경우, 여러 부분별 인력부족문제를 비롯한 수많은 문제점이 발생할 수밖에 없음.


2. 고객사(완성차 메이커)마다 배터리에서 요구하는 스펙이 다름.
성능, 안전기준, 품질관리 수준이 다 다르기 때문에 고객사에 맞춰 테스트단계에서부터 디테일한 조정이 들어가는데 신규업체들은 이 단계에서부터 많은 난관에 봉착할 수 있음.

신규업체가 양산까지 성공하는 과정은 매우 매우 어려운 과정이 필요함.


3. 양산 문제에 대한 예.

(1) 안정성 중점을 두고 배터리를 설계하게 되면 에너지밀도가 제한이 될 수 밖에 없음.
개발자는 마진율을 높이는 방향을 추구하고, 마진율을 높이는 방향으로 생산을 하면 수율이 나빠질 가능성이 높음. 이는 모든 배터리업체들이 항상 겪을 수밖에 없는 문제임.

(2) 각 공정의 설비들 마다 공정능력지수인 CPK값이 시간대별로 변화가 있어 CPK값을 시간대별로 조정을 해줘야 함. 시간에 따라 제대로 조정이 되지 않으면 양품이 생산되지 못함.


● 라인관리

라인 당 약 10 - 15명의 관리인원이 필요함. (파우치 조립라인 기준)
최신 배터리 생산시설은(북미 기준) 10 – 20개 라인이 있는데, 이럴 경우 약 200명 정도의 관리인원이 필요함.
이전에는 6 – 7개 라인. (100명이내)

기존 업체들은 오랜 경험을 토대로 여러 기술들이 표준화되어 있어 보다 빠르게 배터리를 개발할 수가 있으며 이는 신규업체와의 차이를 계속 확대시키는 요소임.


● 공정별 특징 및 전극공정의 중요성

배터리 품질을 좌우하는 공정은 전극 공정임.
전극공정은 매우 디테일하게 다뤄야 하는 공정임.
믹싱부문에서는 혼련(잘 섞이는 것), 층분리 등을 잘 컨트롤 하는 것이 중요.
가장 중요한 부분은 코팅공정에서 전체 광폭면(1.2m 이상) 일정한 두께로 코팅하는 것.
롤프레스 공정도 압연을 얼마나 밀도있고 균일하게 해주는 것도 중요함.

조립공정은 파티클 관리 등이 중요한 공정임.
활성화 공정은 셀 성능에 맞는 품질을 컨트롤 해주는 게 중요함. 각 셀 모델별로 활성화 조건이 다름.


● LG에너지솔루션과 중국 배터리산업

중국 배터리 업체들이 LG에너지솔루션이 중국 배터리업체들의 사관학교다 라는 얘기를 많이들 하였음. 중국 업체들의 인력은 LG에너지솔루션에서 나온 사람들이 많음.

초기 LG에너지솔루션 난징 공장은 전극공정 라인이 없었고, 오창에서 전극을 중국으로 보내주었음.
2015년 이후 3공장부터 전극공장을 중국에 설치하기 시작하였음.
중국 공장이 커지면서 많은 인력들이 중국에서 체류하게 되면서, 중국에 R&D센터도 만들게 되었음.

각형 배터리는 중국 배터리업체들도 상당한 노하우를 가지고 있음.


● 양산을 위한 기간 및 스마트팩토리의 어려움

R&D를 완료한 신규 배터리업체가 양산라인을 만들 때까지 최소 3 - 4년의 시간이 필요하다고 보고 있음.
이후 고객사의 요구조건에 맞고, 시행착오를 겪으면서 양품을 양산하는 것은 4년 + 알파의 시간이 필요함.
알파의 시간은 고객사들과의 협업과 시스템에 의해서 결정될 것임.


스마트팩토리가 기대만큼 안되는 이유는 글로벌적으로 포진해 있는 다양한 생산시설들의 장비 및 설비 납품업체들이 각기 다르고 공장마다의 작업조건이 다르기 때문에 스마트팩토리화 할 때 애로사항을 겪고 있음.
스마트팩토리를 위한 파라미터 세팅의 난이도가 매우 높음.


● 매뉴얼화(경험)의 중요성

가장 최신 공장인 노스볼트 공장에서 2023년 말 폭발사고가 발생하여 인명사고가 있었음.
전극에서 집진기 필터를 교체하다가 사고가 발생하였음.
조립공정에서도 용접시 흄가스가 발생하고 이를 잘 포집하고 이를 처리하는 문제 등에서도 다양한 사고가 발생할 수 있음.
한국 기업들도 이전에 이런 사고들을 겪었으며, 신생업체들의 경우 이러한 사고들을 겪을 가능성이 높음.

기존 업체들은 이미 다양한 사건사고를 통해 매뉴얼화가 되어 있음.

LG에너지솔루션이 이런 부분에서 매우 앞서 있음.
BYD도 관리 수준이 높은 편임.
중국 탑티어 업체들(CATL, BYD)은 관리 수준이 높은 데 반해 그 외 업체들은 관리 수준이 느슨한 편임.

https://www.youtube.com/watch?v=XeBSWYSwY84&t=115s