3. The Winner - Huang Shilin, China

패배를 시인하는 꼴이 되었습니다. 하지만 그날 아침에 온화한 미소를 짓는 것을 보면 전혀 예상하지 못했을 것입니다. 당시 독일 총리였던 Angela Merkel은 Li Keqiang 당시 중국 총리 옆에 서 있었습니다. 2018년 7월 베를린의 약간 흐린 여름 아침, 두 정상은 카메라를 향해 포즈를 취하는 사이사이에 소소한 이야기를 나누었습니다. 이날 예정된 여러 홍보 행사 중 하나였던 이 행사는 세계 최대 경제 대국인 두 나라 간의 협력을 강조하는 행사였습니다.

몇 미터 앞에 검은 정장을 입은 두 남자가, 가죽끈으로 똑같이 묶인 폴더판을 펴고, 펜을 들고 책상에 앉았습니다. 그들은 카메라를 바라보고 펜을 종이에 댄 채로 완벽한 사진이 찍힐 때까지 몇 초간 기다렸습니다. 그런 다음 뒤에 서 있던 원로들의 박수를 받으며, 세계 최대 배터리 회사인 CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Limited)의 CEO Zeng Yuqun과 독일 튀링겐 주지사 Wolfgang Tiefensee가 중국 제조 대기업이 독일 최초의 자동차 배터리 양산 공장을 건설하는 계약에 서명했습니다. 그 시간은 순식간에 지나갔고, 참석자 중 그 역사적 중요성을 깨닫는 사람은 거의 없었습니다.1

독일은 자동차 산업의 본고장으로 알려져 있으며 그럴 만한 이유가 있습니다. 1879년 칼 벤츠가 자동차 동력용으로 설계된 최초의 내연기관을 제작하고 가동한 곳이기도 합니다.2 오늘날 세계 최대 자동차 회사 중 하나인 폭스바겐과 세계적으로 우수성을 인정받는 BMW, 아우디, 메르세데스 벤츠, 포르쉐 등의 브랜드가 독일에 있습니다.3 자동차 산업은 독일 일자리의 7분의 1, 수출의 5분의 1, 연구비의 3분의 1을 차지합니다.4

이번 서명은 국가의 경제 중추 역할을 해오던 자동차 산업이 결국 실패했음을 인정하는 것이었습니다. 사람들이 원하는 자동차를 만들지 못해서가 아니라 21세기 자동차를 구동할 핵심 기술인, 리튬 이온 배터리를 개발하지 못했기 때문입니다.

배터리는 자동차를 움직이게 하는 기술입니다. 자동차에 전력을 공급하는 것 외에도 태양에너지와 풍력에너지를 저장하여 태양이 비추지 않거나 바람이 불지 않을 때 사용할 수도 있습니다. 일부 기업가들은 단거리 비행을 위해 배터리로 구동되는 비행기를 만들기도 했고, 유럽 해역에는 배터리로 구동되는 페리선박도 있습니다.5 전 세계가 탄소 배출 제로 목표를 향해 달려가면서 배터리는 반드시 마스터해야 할 중요한 기술임이 입증되고 있습니다. 메르켈 내각에서 교육 및 연구부 장관을 지낸 안야 칼리첵이 독일, 더 넓게는 유럽의 '실존적' 문제가 배터리라고 말한 것도 이 때문입니다.6

각 나라들이 결국 진지하게 따라잡기 위해 노력하는 동안, 중국은 압도적인 선두를 달리는 중 입니다. 블룸버그NEF의 추정에 따르면 2025년까지 중국의 배터리 생산 능력은, 전 세계 배터리 생산 능력을 합친 것 대비 3배가 될 것으로 예상합니다.7

배를 놓친 것은 유럽 사람들만은 아닙니다. 1990년대 후반이나 2000년대 초반까지만 해도 배터리가 이렇게 저렴한 비용으로 이렇게 많은 용량을 생산할 수 있다고 확신한 사람은 거의 없었습니다. 중국이 리튬 이온 배터리의 글로벌 리더로 부상한 지금, 리튬 이온 배터리를 발명한 석유 업계, 상용화를 위해 기술을 육성한 미국, 그리고 이 기술을 가장 먼저 확장한 일본이 당연하게도 아쉬워하고 있습니다.

CATL “Huang Shilin” 부회장의 20층 사무실에 들어섰을 때 가장 먼저 눈에 들어온 것은 풍경이었습니다. 2018년 11월의 회색빛 감도는 오후였는데, 짙은 안개가 앞산에 드리워져 동중국해로 통하는 항만이 보이고 있었습니다. 덕분에 우리가 산업단지 한가운데 있다는 사실을 잠시 잊었습니다.

하지만 창문으로 다가가서, 타워 주변에 흩어져 있는 공사 현장을 내려다보고 현실을 자각했습니다. 제가 묻기도 전에 당시 CATL의 2인자이자 중국 최대 부자에 이름을 올린 “Huang”이 푸젠성의 인구 약 300만 명의 성장 도시인 “Ningde”의 외곽에 누가 무엇을 짓고 있는지 설명하기 시작했습니다. 그곳은 CATL의 본사와 세계 최대 규모의 배터리 조립 공장이 있는 곳입니다.

그는 중국 최대 전기자동차 제조업체 중 하나이자 세계 최대 자동차 제조업체인 폭스바겐과 제너럴 모터스의 파트너인 Shanghai Automotive Industry Corporation을 언급하며 “SAIC가 그곳에 공장을 짓고 있다”고 말했습니다. 물론 이 자동차 제조업체는 CATL로부터 배터리를 공급받게 될 것입니다. 그는 만 건너편에 있는 지붕 없는 건물을 가리키며 “바로 그곳이 CATL이 확장하고 있는 곳”이라고 말했습니다. 많은 사람들이 CATL의 빠른 성장에 놀랐습니다. “Huang” 역시 수요를 거의 따라잡지 못하고 있다고 인정했습니다.

우리는 경치를 조금 더 감상하다가, 궁금한 것이 생겨서 질문을 시작했습니다. 서양 기자와 처음으로 인터뷰를 하는 “Huang”이 얼마나 많은 시간을 내어 줄 지 알 수 없었기 때문입니다. 우리는 그의 넓은 사무실 한 구석에 있는 검은색 가죽 소파에 자리를 잡았습니다. 방 안은 조용했고, 설정된 온도로 물을 유지하기 위해 10분마다 켜지는 전기 주전자 소리가 소음의 전부였습니다. “Huang”은 짙은 파란색 바람막이 안에 검은색 바지와 선명한 적갈색 셔츠를 입고 있었는데, 고위 임원 치고는 예상보다 훨씬 더 캐주얼한 차림새였습니다. 쉰두 살의 그는 작은 체구에 머리숱이 적었지만, 제 시선을 가장 사로잡은 것은 그의 환한 미소였습니다. 그는 중국 어디서나 볼 수 있는 주전자에서 뜨거운 물 한 컵씩을 건네주었고, 그 때부터 약 200년 된 발명품인 배터리에 대해 대화를 나누었습니다.

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배터리는 엄밀히 말하면 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 모든 장치입니다. 1799년 이탈리아의 화학자 알레산드로 볼타가 발명한 최초의 배터리는 구리와 아연으로 만든 두 개의 금속판 사이에 소금물에 적신 골판지를 끼워 넣은 단순한 형태였습니다. 볼타의 발명품은 볼타 전지로 알려지게 되었는데, 그야말로 혁명적이었습니다. 이 장치는 인간이 만든 최초의 안정적인 전기 공급원이었으며, 이 장치를 사용하여 주기율표의 많은 원소와 전자기 법칙을 발견할 수 있었습니다.8

배터리의 기본 구조는 발명 이후 지금까지 변하지 않았습니다. 볼타 전지와 마찬가지로 스마트폰 배터리에는 두 개의 전극(양극과 음극)이 전도성 용액(전해질)에 담겨 있고 두 전극이 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지하는 분리막이 있습니다. 하지만 볼타 배터리를 일상적으로 사용하기 위해서는 몇 가지 중요한 개선이 필요했습니다.

볼타의 배터리 버전은 금속 소모량이 많은데 반해, 전기는 소량만 생산했습니다. 예를 들어, 볼타 전지로 런던의 아파트에 전력을 공급하려면 매일 11,000kg의 구리와 아연이 필요했습니다.9 전력을 실제로 사용하는 단계는, 볼타가 발명하고 60년 후에 프랑스 물리학자 Gaston Planté가 납축전지를 발명할 때까지 기다려야 했습니다. 볼타 전지는 흔히 1차 전지라고 불리는 것으로, 구리와 아연이 소모되면 배터리를 폐기해야 했습니다. Planté는 세계 최초로 2차 전지를 발명했습니다. 일단 소모된 배터리는 전기를 공급하여 다시 충전할 수 있었습니다. 19세기 말, 납축 배터리는 초기 자동차에 전력을 공급하는 등 대규모 사용을 시작했습니다.10

그러나 납축 배터리만 가지고는 화석 연료를 태우는 자동차의 주행 가능 거리를 따라잡을 수 없었기 때문에 자동차 동력 에너지원으로서 배터리가 지배하는 시기는 오래가지 못했습니다(2장 참조). 100년이 지난 지금도 납축 배터리는 자동차에 사용되지만 엔진 시동, 헤드라이트 전원 공급, 에어컨 및 스테레오와 같은 내부 전기 시스템 작동을 보조하는 용도로만 사용되고 있습니다. 전기 자동차의 부활은 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 이온 배터리가 발명되고 기존 자동차와 경쟁할 수 있는 방법이 발견될 때가 되어서야 가능했습니다.

리튬 이온 배터리의 개발은 1970년대 석유 파동으로 인해 화석 연료 대기업들이 석유가 유한한 자원이라는 사실을 깨닫고 대안을 찾기 위한 노력을 강화하면서 시작되었습니다.11 미국 석유 대기업 Exxon의 화학자 Stanley Whittingham이 주도한 한 프로젝트에서 세계 최초의 충전식 리튬 이온 배터리가 발명되었는데, 전극 중 하나는 음극인 티타늄 황화물이고 다른 전극인 양극은 리튬 금속이었습니다. 하지만 배터리가 계속 터져 화염이 발생하는 등 해결해야 할 큰 문제가 있었습니다. 작은 패키지에 저장된 에너지의 양이 많을수록 화재 위험은 높아지는 것은 사실입니다.

Whitham은 이 문제를 극복할 수 있다고 믿었고, 엑손이 이 배터리를 전기 자동차에 적용할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 회사는 문제 해결 프로젝트를 크게 키우기 위한 예산을 승인했습니다. 하지만 그것도 잠시, 1980년대에 접어들면서 석유 공급 과잉이 시작되었고, 석유의 대안을 찾으려던 엑손의 관심은 시들해졌습니다. 결국 엑손은 배터리를 상용화하지 못했습니다.

다행히도 Whittingham의 연구는 이 분야에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. 그 후 10년 동안 리튬 이온 배터리는 대학, 국립 연구소, 심지어 일부 기업에서도 전 세계 연구자들의 집중적인 연구 대상이 되었습니다. 세 명의 연구자가 Whittingham의 발명품을 실용성 있는 상용 제품으로 업그레이드 하는 작업을 수행했습니다. 먼저 옥스퍼드 대학교의 수석 연구원이었던 John Goodenough는 황화티타늄 대신 산화코발트를 음극으로 사용하면 배터리에 담을 수 있는 에너지의 양이 증가하고 성능이 저하되기 전에 충방전 주기를 늘릴 수 있다는 사실을 발견했습니다. 모로코의 과학자 Rachid Yazami는 리튬 금속 대신 흑연(탄소의 한 형태)을 양극으로 사용하면 저장 에너지의 양을 크게 희생하지 않으면서 배터리를 훨씬 더 안전하게 만들 수 있다는 사실을 발견했습니다. 거의 같은 시기에 일본의 연구원 Yoshino Akira도 탄소 음극을 사용하는 것이 더 좋다는 사실을 발견했습니다. 마침내 당시 일본 소니의 배터리 사업부 책임자였던 Tozawa Keizaburo와 소니의 고위 임원인 Yoshio Nishi가 이러한 발명을 총 정리했습니다. Whittingham, Goodenough, Yoshino 등 세 명의 과학자는 리튬 이온 배터리를 발명한 공로로 2019년 노벨 화학상을 수상했습니다.12

1992년 소니는 리튬 이온 배터리를 최초로 상용화한 기업이 되었습니다. 소니 핸디캠에 옵션으로 제공되는 이 배터리는 기존의 니켈 카드뮴 배터리보다 30% 더 작고 35% 더 가벼웠습니다. 타이밍이 이보다 더 좋을 수 없었습니다. 무어의 법칙에 따르면 컴퓨터 칩의 트랜지스터 수는 18개월마다 두 배씩 증가하는 경향이 있습니다. 덕분에 백색 가전제품의 크기가 줄어들었지만, 리튬 이온 배터리가 상용화될 때까지, 백색가전 소형화 추세를 따라잡지 못했습니다. 소니의 베팅이 즉각적인 성공을 거둔 이유입니다. 1993년에는 300만 개, 1994년에는 1,500만 개의 리튬 이온 배터리를 팔았습니다.

1999년에 서른한 살의 나이로 Amperex Technology Limited(ATL)를 설립한 Zeng Yuqun을 비롯한 다른 사람들도 소니의 성공에 빠르게 뛰어들었습니다. ATL은 2년 만에 100만 대의 기기에 사용되는 리튬 이온 배터리를 생산하며, 믿을만한 공급업체로 이름을 알렸습니다. 이러한 성공에 힘입어 2005년 ATL은 카세트 테이프와 쓰기 가능한 CD (CD-RW)로 잘 알려진 일본 기업 TDK에 인수되었습니다.

Zeng과  2인자인 “Huang”은 회사 인수 후에도 계속 남아 있기로 했습니다. TDK는 ATL의 제조 공정에 일본식 규율을 도입하고, 리튬 이온 배터리 사업을 새로운 캐시카우인 스마트폰 시장으로 성장시켰습니다. 곧 ATL은 삼성과 애플에 모두 배터리를 공급하게 되었다고 “Huang”이 자랑하듯 말했습니다.

2006년부터 “Huang”은 전기차용 배터리에 대한 문의를 받기 시작했습니다. 가장 첫 번째 요청은 인도 회사인 Reva에서 왔습니다. 당시 Reva는 개선된 납축 배터리로 구동되는 2인승 전기차인 G-Wiz를 만들고 있었습니다. 최고 속도는 약 40km/h(25마일)이고 주행 거리는 80km였지만, 충전하는 데 시간이 많이 걸렸습니다. Reva는 자동차의 속도와 주행 거리를 늘리고 더 빠르게 충전할 수 있는 리튬 이온 배터리 공급사를 찾고 있었습니다.

전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 휴대용 기기에 사용되는 배터리와 상당히 다릅니다. 자동차에는 휴대폰 배터리보다 훨씬 더 많은 에너지를 훨씬 더 짧은 시간에 공급할 수 있는 배터리가 필요합니다. 솔루션을 개발하기 위해 “Huang”과 Zeng은 ATL 내에 연구 부서를 설립하는 동시에, 미국에서 이미 진행 중인 연구개발 내용을을 기반으로 기술 라이선스를 취득하기 시작했습니다.

당시 이런 방식으로 라이선스를 사들이거나, 초기 단계의 자동차 배터리 연구 개발에 수백만 달러를 투자한 중국 기업은 찾아보기 어려웠습니다. 그 당시 중국 기업들은 외국 기업의 기술을 훔치거나 베끼는 경우가 많았습니다.13 그러나 ATL은 강력한 자체 연구 노력으로 선입견을 깨고 21세기에 가장 중요한 제조업 분야 중 하나로 거듭날, 자동차 배터리 산업을 중국이 장악하는 발판을 마련했습니다.

2008년이 되자 ATL은 이미 그간의 노력에 대한 성과를 거두었습니다. 그해 중국 정부는 베이징 올림픽에서 전기 버스 시범 차량을 선보였는데(2장 참조), 이 중 일부는 ATL 배터리로 구동되었습니다.14 전기 버스 시범 차량은, 공해를 유발하는 버스 수를 줄여서 치명적인 미세먼지 오염을 낮추고 온실가스 배출을 줄이려는 중국 정부의 교통 수단 전기화 추진 계획의 시작점 이었습니다. 중국 정부는, 시민들과 전 세계 언론에게서, 심각한 스모그를 없애고 탄소 발자국을 줄여야 한다는 압력을 받고 있었습니다. “Huang”과 Zeng은 기회를 잡았습니다. 2011년, 그들은 배터리의 미래가 자동차 사업에 있다는 신념을 담아 CATL이라는 스핀오프 회사를 설립했습니다.

비슷한 시기에 중국 정부는 차세대 기술을 활용하기 위해 전기 자동차에 대한 보조금을 도입했습니다. 문제는 보조금을 받으려면 배터리가 중국산이어야 한다는 것이었습니다. 당시 중국에서 입지를 넓히고자 했던 BMW는 중국 자동차 제조업체인 Brilliance 및 CATL과 파트너십을 맺었습니다. 2013년 BMW-브릴리언스는 중국 시장을 겨냥해 순수 전기차인 Zinoro를 출시했습니다. 이 차량은 BMW의 소형 SUV인 X1의 디자인을 기반으로 제작되었으며 CATL 배터리를 사용했습니다.

누가 만들어도 거의 동일한 AA 또는 AAA 배터리와 달리, 전기차 배터리는 차종에 따라 차체에 가장 최적화된 방식으로 맞춤 제작해야 합니다. 즉, 자동차 제조업체의 엔지니어와 배터리 회사의 엔지니어가 아이디어, 표준 및 프로세스를 교환하면서 협력해야 합니다. Zinoro에서 BMW와 협력하면서 CATL은 디테일에 세심한 주의를 기울이고, 공장 출고 제품의 신뢰성 향상을 도모하는 등 독일의 엔지니어링 기술을 접목했습니다.

“우리는 BMW로부터 많은 것을 배웠고, 이제 세계 최고의 배터리 제조업체 중 하나가 되었습니다.”라고 Zeng은 2017년 Zinoro를 기념하는 행사에서 말했습니다.15 “BMW의 높은 기준과 요구는 우리가 빠르게 성장하는 데 도움이 되었습니다.”라고 덧붙였습니다. 2년 후, CATL은 독일 최초의 자동차 배터리 공장을 착공하여 존경받는 독일 자동차 산업을 제치고 선두에 서게 됩니다.

“Huang”과 대화를 마친 몇 분 뒤, 필자는 건물 밖에서 대기하고 있던 연한 금색의 Zinoro를 타 볼 수 있었습니다. 길을 따라 수백 미터쯤 내려가면 CATL의 수많은 배터리 생산 라인 중 하나가 보입니다.

제조 시설 입구에서, 외부 먼지가 공장 안으로 들어오는 것을 막기 위해 신발 커버를 쓰라는 말을 들었고, 스마트폰을 반납해야 했습니다. 사진 촬영은 허용되지 않습니다. 공장이라기보다는 병원처럼 느껴지는 하얀 벽으로 된 긴 복도를 따라 내려갔습니다. 복도 한쪽에는 창문이 있어 배터리 생산 현장을 볼 수 있었고, 그곳에서 인간과 로봇이 함께 일하고 있었습니다. 인간은 샤워캡, 실험실 가운, 장갑, 신발 커버 등 머리부터 발끝까지 온몸을 가리고 있었습니다. 로봇은 알몸이긴 했습니다. 작업자는 대부분 기계를 관찰하거나 컴퓨터 화면을 보는 데 시간을 보냈습니다. 로봇은 기계 라인과 엘리베이터 사이에서 무거운 물건을 들어올리고, 여러 부품을 옮기는 일을 했습니다.

라인에서는 부품을 준비하고 조립합니다. 리튬 이온 배터리를 만드는 과정은, 휘발성 액체 용매와 분말 전극 재료를 혼합하여 슬러리를 만드는 것부터 시작합니다.

CATL은 주로 전기 버스용 리튬 인산철(LFP)과 전기 자동차용 니켈 망간 코발트 산화물(NCM)이라는 두 가지 유형의 배터리 음극을 생산합니다. NCM은 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 담을 수 있어, 소형 차량에 사용되지만 LFP보다 비쌉니다. 두 경우 모두 양극은 흑연으로 만듭니다(때로는 약간의 실리콘과 혼합되기도 합니다). 리튬 배터리라는 이름은 배터리가 충전 및 방전될 때 두 전극 사이를 오가는 충전된 리튬 입자 때문에 붙여진 이름입니다.

슬러리가 만들어지면 흑연 양극에는 구리를, LFP 또는 NMC 음극에는 알루미늄을 금속 시트에 칠합니다. 시트는 뜨거운 오븐을 통과하여 용매를 건조시키고, 분말이 금속 시트에 잘 달라붙도록 합니다. 다음 단계에서는 멋진 기계가 음극, 분리막, 양극의 세 가지 시트를 하나로 합칩니다. (분리막은 일반적으로 리튬 이온이 통과할 수 있지만 두 전극이 접촉하지 않도록 하는 고품질 플라스틱 시트입니다). 그런 다음 원통형, 파우치형 또는 각형 등 배터리 모양에 따라, 합친 시트를 잘 말아서 케이스에 삽입합니다. 원통형 셀은 “Tesla”에서 사용하며 AA 배터리와 비슷하지만 조금 더 큽니다. 파우치형 셀은 Audi에서 사용하며 스마트폰에 사용되는 납작한 직사각형 배터리와 비슷합니다. 각형 셀은 세련된 도시락처럼 생겼습니다.

제가 견학한 공장에서는 BMW에서 사용하는 각형 셀을 만들고 있었습니다. 롤이 제자리에 놓이면 다른 기계가 전해질을 케이스에 주입합니다. 이제 배터리를 처음으로 충전할 준비가 끝났다고 보면 됩니다.

하지만 아직 작업은 여전히 남았습니다. 배터리 팩을 구성하려면 많은 각형 셀을 연결하고 서로 이어붙이는 작업이 필요합니다. 각 배터리 팩은 특정 자동차 모델에 맞게 맞춤 제작되기 때문에 CATL 엔지니어 혼자서 이 작업을 수행는건 불가합니다. CATL의 엔지니어는 자동차 제조업체 엔지니어와 협력해서, 다음 단계를 파악해야 합니다.

이 과정에서 두 회사 간의 지식과 기술을 교환합니다. 예를 들어, BMW i3용 자동차 배터리 팩을 제작하려면 90여 개의 각형 셀이 서로 연결됩니다.16 배터리는 자동차 섀시에 딱 맞도록 배열됩니다. 연결된 각형 셀은 배터리 관리 시스템(BMS)에 의해 작동되며, 이 시스템은 배터리에 대한 다양한 항목을 측정하여 팩 내부의 각 배터리 상태에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 이 시스템은 열 관리 기능도 갖추고 있어 배터리가 안전한 온도에서 충전 또는 방전될 수 있도록 도와줍니다. 이 수준의 맞춤 제작은 비용이 많이 들기 때문에 Rivian이나 Canoo와 같은 일부 전기 자동차 제조업체는, 다양한 자동차 모델에 사용할 수 있는 이른바 스케이트보드 플랫폼을 개발하고 있습니다.

CATL은 이 복잡하고 섬세한 생산 공정을 관리하는 업계 최고 업체 중 하나이며, 오늘날 BMW와 폭스바겐 같은 독일 브랜드부터 혼다와 닛산 같은 일본 브랜드는 물론 수많은 중국 기업까지 다양한 자동차 제조업체를 고객으로 확보하고 있습니다. 불과 몇 년 만에 일본의 학문, 독일의 엔지니어링, 중국의 기업가 정신을 결합하여 세계에서 가장 탐내는 전기차 배터리 제조업체가 되었습니다.

배터리의 중요성은 CATL의 가치 평가에서도 잘 드러납니다. 2018년 Shenzhen 증권거래소에 상장하자마자 Yuqun과 “Huang”을 포함한 4명의 억만장자가 탄생했습니다. 2021년 CATL의 시가총액은 폭스바겐보다 더 커졌습니다.17 Yuqun의 순자산은 이제 중국 억만장자 순위표에서 수년간 1위를 차지했던 알리바바 창업자 Jack Ma보다 많아졌습니다.18 그러나 리튬 이온 배터리의 미래를 위해 과감한 도전을 하는 새로운 스타트업과 함께 CATL은 계속해서 이 분야를 선도하기 위해, 더 발 빠르게 움직여야만 합니다.

2020년 말, 실리콘밸리의 스타트업 QuantumScape가 뉴욕증권거래소에 상장했습니다. 이 회사는 투자자들에게 차세대 배터리가 적어도 2026년까지는 상용차에 탑재되지 않을 것이며 따라서 수년 동안 큰 수익을 내지 못할 것이라고 말했지만 몇 주 만에 기업 가치는 미국 자동차 대기업 포드 이상으로 치솟았습니다.19

중국 배터리 제조업체들이 리튬 이온 배터리 제조를 주도한 이후, 미국 기업들이 부활할 수 있는 유일한 방법은 현재 상용화된 배터리보다 훨씬 뛰어난 배터리를 만드는 것뿐입니다. “QuantumScape”는 전고체 배터리를 실현할 수 있을 것이라고 믿는 수많은 업체 중 하나입니다. 그리고 “QuantumScape”의 높은 기업가치는 시장의 관심이 전고체임을 보여주었습니다.

이 모든 도약의 영감은 양극에 리튬 금속을 사용한 Whittingham의 Exxon 배터리에서 나왔습니다. 리튬은 우주에서 가장 가벼운 금속이며, 리튬 기반 배터리의 경우 주기율표에서 가장 에너지 밀도가 높은 음극 소재입니다. 하지만 상용화 개발자들이 리튬 금속 배터리 화재 가능성을 배제 했다고 해도, 배터리 자체 성능이 매우 빠르게 저하된다는 이유로 리튬 금속 배터리의 개발을 포기했습니다. 매년 주행거리가 20% 이상 떨어지는 전기차를 상상해 보면 됩니다.

“QuantumScape”의 관건은 리튬 금속 배터리를 안전하게 만들 뿐만 아니라, 적어도 최신 리튬 이온 배터리만큼 오래 사용할 수 있는 소재를 찾는 것이었습니다. 그 후보물질은 고체 전해질이고, 연구원들은 리튬 금속 배터리가 빠르게 성능이 저하되는 주요 원인인 액체 전해질을 대체할 물질이라고 판단했습니다.

하지만 이 목표를 달성하는 것은 쉽지 않았습니다. 이 스타트업은 2011년에 폭스바겐이라는 막강한 후원자를 확보한 후 이 소재를 찾기 위한 작업을 시작했고, 결국 전체 금액으로 3억 달러를 투자하게 되었습니다.20 연구원들은 리튬 이온의 흐름을 허용하고 리튬 금속의 열화에도 견딜 수 있어야 하는 소재가 갖춰야 할 특성을 나열했습니다. “QuantumScape”의 CEO인 Jagdeep Singh은 '우리는 자연계에 이러한 요구 사항을 만족하는 물질이 존재하는지 몰랐습니다. 그리고 그것을 찾을 수 있을지도 몰랐습니다.'*

*이 인용문과 참조되지 않은 모든 인용문은 개인 인터뷰에서 직접 발췌한 것입니다.

어려운 문제를 해결할 때, 과학자들의 최종병기는 무작위 대입입니다. 즉, 가능한 한 많은 실험을 빠르게 수행하고 그 결과를 통해 학습한 후 조건을 조정하여 더 많은 실험을 수행하는 것입니다. 시행착오를 거치지만 방대한 양의 데이터와 많은 분석을 통해 정보를 얻습니다. 이를 위해 “QuantumScape”는 소규모의 배터리 과학자와 함께 인공지능 전문가들로 구성된 팀을 꾸렸습니다.

이러한 반복 과정을 거치는 데 필요한 시간을 단축하기 위해, 연구원들이 교대로 근무하는 24시간 연중무휴 운영 체제를 구축하여, 모든 과학 장비들이 항상 최적의 상태로 유지될 수 있도록 했습니다. 그 결과물은 슈퍼컴퓨터에 지속적으로 입력되어 <스타트렉>의 리플리케이터처럼 방대한 데이터베이스에서 디지털 방식으로 새로운 재료 배합을 만들어 냈습니다. 그런 다음 이러한 재료 배합을 실험실에서 개발해서 배터리 성능을 테스트했습니다.

Singh은 '수백만 번의 테스트' 끝에 2015년에 마침내 요구 사항을 충족할 수 있는 재료 두 가지를 발견했다고 합니다. 그러면 다음 도전이 시작되는 것입니다. 지금까지는 실험실 규모의 작은 배터리에서는 작동했으니까, 지금부터는 자동차에 넣을 수 있는 수백 개의 대형 파우치 셀에서 테스트할 수 있을 만큼 충분히 큰 규모로 만들어야 했습니다. 이 작업은 5년이 추가로 소요되었습니다. 미시간 대학의 배터리 전문가이자 “QuantumScape” 의 고문인 벤캇 비스와나탄(Venkat Viswanathan)은 '긴 시간 걸린처럼 보일 수 있겠지만, 배터리 재질의 문제를 해결하는 데 걸리는 "필요충분조건" 시간'이라고 설명했습니다.

“QuantumScape”의 고체 전해질은 리튬 이온이 통과하고 리튬 금속의 열화를 줄일 뿐 아니라, 배터리 내부에서 깨지지 않을 만큼 유연해야 하고, 대량 생산이 용이해야 했습니다. 두 가지 경쟁 물질 중, 일련의 테스트를 통해 실행한 결과, 하나가 성공했습니다.

10년 동안 수억 달러를 투자한 끝에 2020년, “QuantumScape”는 획기적인 전고체 배터리를 공개했습니다. 당시 시중에 나와 있던 최고의 상용 리튬 이온 배터리보다 같은 부피에 50% 더 많은 에너지를 담을 수 있었고, 15분 이내에 현재 “Tesla”의 최고 배터리보다 두 배나 빠르게  80%까지 충전할 수 있었습니다.

Singh은 세라믹이라는 것 외에는 고체 전해질 소재에 대해 자세히 설명해 주지 않았습니다. 사진 촬영 할 때에도 경쟁사에 힌트를 줄까 봐,색상 필터를 사용하도록 했습니다. 대규모 배터리 라인 구축을 위해서는 몇 년의 개발 작업이 더 남아 있으며, 그 과정에서 더 많은 문제가 발생할 수 있다고 합니다.

폭스바겐이 상용차에 “QuantumScape” 셀을 우선적으로 사용하게 되겠지만, 이 배터리 회사는 비용 지불의사가 있는 모든 자동차 제조업체와 거래할 용의가 있습니다. Solid Power와 Ilika 같은 스타트업과 Toyota, Samsung, 심지어 CATL과 같은 기존 기업에서도 전고체 배터리 프로토타입이 등장하고 있어, 시간이 얼마 없긴 합니다.

지금까지 배터리 수요의 급격한 증가로 인해 우려되는 점이 몇 가지 있습니다. 리튬, 코발트, 니켈의 가격이 급등하는 현상이 대표적인 예입니다. 가격 상승으로 인해 더 많은 기업이 이러한 금속의 신규 공급에 나서고 있습니다. 수요와 공급의 역학 관계 외에도 코발트는 특별히 조금 다른 문제가 있습니다. 전 세계 코발트의 약 절반이 콩고민주공화국에서 채굴되는데, 콩고민주공화국은 유독한 환경에 어린이를 불법 노동으로 내몰았다는 비판을 받아왔습니다.

전 세계 리튬 이온 배터리 제조 능력은 향후 20년 내에 현재 수요 기준으로 최소 10배까지 증가할 것으로 예상됩니다. 그렇기 때문에 더 강력한 환경 및 인권 기준을 갖춘, 안전한 지역에 새 광산을 개발할 필요가 있습니다. 동시에 전 세계는 대규모 배터리 재활용 시설도 구축해야 합니다.21 그린피스 연구에 따르면 2021년부터 2030년까지 약 1,300만 톤의 리튬 이온 배터리가 폐기될 것으로 예상됩니다.22

연구에 따르면, 리튬 이온 배터리 안의 약 95%의 광물을 회수할 수 있다고 합니다. 아직 해결되지 않은 문제는 재활용 비용을 업계가 감당할 수 있는가 입니다. 특히 배터리 가격이 하락할수록 재활용 비용 감당은 더 어렵습니다. 각국 정부는 경제성이 확보될 때까지 기다리면 안됩니다. 중국 정부는 전국에 10,000개에 달하는 재활용 시설을 건설하기 위한 인센티브 제도를 마련했습니다.23

유럽에서는 배터리 재활용이 더 중요합니다. 중국이 배터리 소재 공급에 큰 영향력을 행사하고 있기 때문입니다. 2021년 현재 중국은 전 세계 흑연 생산량의 거의 대부분, 황산망간 생산량의 95%, 황산코발트 생산량의 80%, 황산니켈의 55%, 수산화리튬의 거의 절반을 차지하고 있습니다.24 따라서 유럽은 순수 금속에 대한 접근성을 확보하는 것뿐만 아니라, 재활용을 통해 광물을 더 오랜 기간 사용할 수 있도록 해야 합니다.25 2022년 EU는 재활용에서 나오는 코발트, 리튬 및 니켈의 최소량에 대한 규정을 마련했습니다.26 미국의 인플레이션 감축법은 미국 내 배터리 공장뿐만 아니라 배터리 재료의 재활용에도 박차를 가할 예정입니다.27

배터리로 구동되는 휴대용 기기는 우리의 삶을 변화시켰습니다. 배터리로 구동되는 전기 자동차도 마찬가지입니다. 더 안전하고 강력하며 에너지 밀도가 높은 배터리가 더 저렴하게 만들어지면서 배터리가 바꿔놓을 수 있는 것은 훨씬 더 많습니다. 메르켈 총리와 장관들이 배터리를 '생존'의 문제로 여기는 이유가 바로 여기에 있습니다. 2021년 CATL은 독일의 새 공장에서 배터리를 생산하기 시작하여 유럽 중심부의 자동차 제조업체에 셀을 공급하고 있습니다.28 이 공장은 단순히 독일의 자동차 산업을 지원하는 것뿐만 아니라 탄소 배출 제로를 향한 경쟁에서 미래를 주도할 기술을 개발하는 데 집중하고 있습니다. “Huang”, CATL, 중국이 함께 포문을 열었지만 다른 기업들이 따라잡을 수 있는 여지는 충분합니다.

2010년부터 2020년까지 리튬 이온 배터리 가격은 kWh당 1,100달러에서 137달러로 89% 하락했습니다.29 팬데믹으로 인한 공급 차질로 단기적으로 배터리 가격이 상승 한다고 해도, 향후 10년 동안 가격이 또 절반으로 떨어질 가능성이 높습니다. 그리고 배터리는 전기 자동차에서 가장 비싼 부품이기 때문에, 가파른 하락세로 인해 “Tesla”, 폭스바겐, 도요타 등이 전기 자동차를 고급차량 부문에서 보급형 부문으로 확장하고 있습니다.

배터리 가격의 하락은 부분적으로는 CATL과 같은 기업의 노력 덕분입니다. 태양광 패널부터 풍력 터빈에 이르기까지, 모든 새로운 저공해 기술은 초기 비용이 많이 듭니다. 과학자들은 최고의 프로토타입을 공장으로 가져가기 위해 연구실에서 비용을 쓰면서 개선하고 연구합니다. 그런 다음 이 기술은 엔지니어에게 이전되고, 엔지니어는 수천 개의 장치를 제조하는 데 필요한 단계를 세분화합니다. 엔지니어는 더 많은 유닛을 만들면서 생산 효율성을 높일 수 있는 방법을 찾습니다. 이는 폐기물의 양을 줄이거나, 각 단계 사이에 걸리는 시간을 줄이거나, 엔지니어 외에는 아무도 신경 쓰지 않을 정도로 사소한 디테일을 개선하는 것을 포함합니다. 결론은, 일련의 작업을 이전 작업보다 조금 더 경제적으로 만든다는 것입니다.

한 회사가 제품을 독점하는 경우가 드물기는 하지만, 독점한다면 판매 단위당 더 많은 수익을 올릴 수 있습니다. 반대로 경쟁 시장에 있는 기업은 가격을 낮춤으로써, 수익 감소를 걱정한 나머지 절감한 비용의 일부를 고객에게 전가하는 경우가 꽤 있습니다. 하지만 가격이 낮아지게 되면, 소비자가 더 많은 태양광 패널, 풍력 터빈 또는 배터리를 구매할 수 있게 하는, 선순환 구조가 형성되기 때문에, 가격 인하가 반드시 수익 감소를 일으킨다고 할 수는 없습니다.

기술자들은 이 과정을 학습 곡선이라고 부르는데, Y축에는 단위 생산 비용이, X축에는 생산된 단위 수가 표시됩니다. 산업 제품인 리튬 이온 배터리의 경우, 학습 곡선을 보면, 생산 단위 수가 두 배가 될 때마다 단위 생산 비용이 18%씩 감소하는 것으로 나타났습니다. 이 비율은 역사적 사실을 기반으로 한 계산 결과이지만, 거꾸로 배터리 수요가 계속 증가한다면 미래에 배터리 비용이 얼마나 빨리 떨어질지 예측하는 데 쓸 수 있는 수치이기도 합니다.

1990년대에 처음 출시되었을 때는 상당히 비쌌지만, 리튬 이온 배터리로 구동되는 휴대용 전자 기기가 니켈 카드뮴 배터리를 사용하는 기기보다 더 성능과 수명이 좋은 것으로 입증되었습니다. 소비자들은 더 가볍고 오래 지속되는 배터리를 위해 기꺼이 프리미엄을 지불했습니다. 더 많은 사람들이 리튬 이온 배터리가 장착된 기기를 구매하면서 배터리 생산 비용도 계속 하락했습니다. 2010년에는 비용이 충분히 낮아져, 초기 고급 전기 자동차에 리튬 이온 배터리를 장착할 수 있을 만큼 가격이 낮아졌다고 할 수 있습니다.

학습 곡선을 계속 따라가다 보면 2020년대에는 리튬 이온 배터리 비용이 너무 낮아져서, 평균 기준으로 내연기관 자동차보다 전기차를 구입하고 운영하는 것이 더 경제적일 것으로 예상하는 사람들도 있습니다.30 이렇게 낮은 비용 덕분에 리튬 이온 배터리의 다른 시장 응용 분야도 발견하기 시작했습니다.

2017년 9월, 세계에서 가장 강력한 열대성 사이클론인 허리케인 Maria는 공식적으로 3,057명의 사망자를 내고 미국령 푸에르토리코를 암흑에 빠뜨렸습니다. 푸에르토리코 당국은 섬 전역의 전력을 복구하는 데 11개월이 걸렸고, 미국 역사상 최장 정전이자 세계에서 두 번째로 긴 정전이라는 또 다른 기록을 세웠습니다.31

기후 변화로 인해 전 세계적으로 극심한 기상 현상이 심화됨에 따라 푸에르토리코도 곧 또 다른 마리아 같은 폭풍이 닥칠 가능성이 높습니다. 푸에르토리코 주민들은 가급적이면 대비하고 싶어 하는 상황입니다. 재해 발생 후 몇 주 만에 스스로를 '에너지 반란군'이라고 부르는 일부 지역 환경 운동가들이 섬의 일부 지역에 전력 공급을 위해, 새로운 시스템을 도입하기 시작했습니다.32

일반적인 현대 전력망은 보통 석탄이나 천연가스를 연소시키는 대형 발전소가, 크고 작은 케이블 네트워크를 통해 가정과 사무실에 전기를 공급하는 구조로 이루어져 있습니다. 허리케인 Maria가 그랬던 것처럼 케이블 일부가 끊어지면 전력망 전체가 끊어집니다. 미니 그리드라고 불리는 새로운 시스템은 보다 유연한 기술을 활용합니다. 전력 생산의 원천은 태양광 패널로 점찍었습니다. 그러나 태양의 힘은 확산 및 분산되기 때문에 하나의 대형 발전소 용량을 대체하려면 태양 전지판이 많이 필요합니다. '에너지 반란군'은 패널을 지역 전역에 분산 배치했는데, 일부는 집 꼭대기에 설치했고, 일부는 버려진 땅에 설치했습니다.

화석 연료 발전소의 장점은 '즉시 사용 가능한' 전력을 공급한다는 점입니다. 전등 스위치를 켜면 바로 그 순간 누군가가 전기를 생산하여 수요를 충족시켜야 합니다. 화석 연료 발전소는 수백만 년 전에 저장된 에너지에 의존하고 있으며, 필요할 때 언제든 불을 피워 방출할 수 있습니다. 반면에 태양광 발전은 하루 주기와 구름 상태의 변덕스러움에 의존합니다. 미니 그리드가 안정적으로 작동하도록 하기 위해, 푸에르토리코 주민들은 리튬 이온 배터리를 중간에 추가했습니다. 태양이 비추면 태양광 패널은 필요에 따라 소비할 수 있는 전력을 공급하고 일부는 배터리에 저장할 수 있습니다. 해가 지면 배터리는 발전소가 되어 저장된 에너지를 필요에 따라 내보냅니다.

이 새로운 시스템이 푸에르토리코 주민들에게 제공하는 가장 큰 장점은 언젠가 또 다른 허리케인이 닥쳐 미니 그리드가 주 전력망에 연결되지 않더라도, 에너지 섬으로 운영될 수 있다는 것입니다. 현재 상태로는 미니 그리드 시스템이 섬 전체 수요를 충족시키지는 못하지만, 대부분의 기본 서비스는 작동할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 재생 에너지로 구동되는 미니 그리드는 온실가스를 배출하지 않는다는 점이 큰 장점입니다.

하지만 지난 30년 동안 배터리 비용이 꾸준히 하락해 주지 않았다면 이 모든 것이 불가능했을 것입니다. 전기는 세계에서 가장 저렴한 상품 중 하나이기 때문에, 전력을 생산하고 분배하는 모든 장비가 저렴할 수 밖에 없습니다. 푸에르토리코의 1인당 소득은 미국 평균의 3분의 1에 불과하지만, 많은 푸에르토리코인들이 미니 그리드 구축을 위한 배터리와 태양광 패널 비용을 감당했다는 사실은, 이 기술의 가격이 얼마나 낮아졌는지 보여주는 예 입니다.

배터리 비용이 더 내려갈 여지는 아직 남아 있으며, 전 세계 약 7억 명의 사람들이 아직도 안정적인 전기를 공급못 받는다는 점을 생각하면, 희소식입니다.33 저렴한 휴대전화가, 개발도상국의 많은 사람들에게 지난 세기의 유선전화 기술을 쓰지 않아도 되게 해주었던 것처럼, 태양광 패널과 배터리 형태의 분산 에너지원을 통해 많은 사람들이 대규모 전력망을 쓰지 않아도 되게 만들 수 있습니다.

게다가 배터리는 이미 존재하는 전기 그리드를 지원하는 역할도 할 수 있습니다. 탄소 배출 문제를 해결할 수 있는 지름길이 있다면, 가능한 한 많은 지역에 전기를 공급하고, 신재생 전기로 전력을 공급하는 것입니다. 그래서 기후 목표가 강화되는 것에 맞춰서, 많은 국가와 지역에서 재생에너지 보급에 야심찬 목표를 설정는 중 입니다.

에너지 저장은 현재 가장 저렴한 전력 공급원인 태양광과 풍력을 더욱 안정적으로 사용할 수 있게 해주는 중요한 기술입니다. 수력, 원자력, 지열 또는 다른 형태의 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 만들어내는 전력 공급원도 중요한 역할을 하지만, 에너지 저장은 어떤 청정 에너지원을 선택하든 그 활용 속도를 높이는 데 많이 기여합니다.

CATL에서 “Huang”은 화물 컨테이너 크기의 리튬 이온 배터리를 만드는 작업에 참여했습니다. 중국과 같이 전기 자동차의 수가 증가하고 전력망에 이미 막대한 태양광 및 풍력 발전 용량이 설치된 국가에서는, 이 배터리를 두 가지 용도로 사용할 수 있습니다. 전기차를 충전해야 할 때 배터리는 그리드에 수요를 추가하지 않으면서도 고속 충전을 가능하게 합니다. 충전 중인 차량이 없을 때는 배터리가 전력망의 저장소 역할을 합니다. 2022년 “Huang”은 전기차 충전 및 에너지 저장 분야에서 기회를 모색하기 위해 CATL을 그만두었습니다.34

기술 발전으로 기후 변화에 대처하는 것이 쉬워진 것은 분명합니다. 하지만 탄소 배출 제로를 달성하는 데 필요한 모든 기술이나 소재를 확보했다고 생각하는 것은 오산입니다. 태양열과 풍력으로만 전력을 공급하는 세상은 아직 실현 불가합니다. 현재의 기술로는 재생에너지 비율을 80% 또는 90%까지 끌어올릴 수 있지만 100%에 가까워질수록 점점 어려워집니다.35 그 이유는 그리드에 저장해야 하는 전기의 양이 많아질수록, 저장 매체를 더 저렴하게 만들어야 하기 때문입니다.

2019년 연구에서는, 재생 에너지가 하루 중 모든 시간에 가스 발전소와 동등한 비용 경쟁력을 갖추기 위해 무엇이 필요한지 살펴봤습니다. 그 결과, 에너지 저장 비용이 현재 리튬 이온 배터리 가격의 10분의 1도 안 되는 kWh당 10달러까지 내려가야 한다는 답이 나왔습니다.36 필자가 만난 어떤 전문가도 리튬 이온 배터리가격이 그 수준까지 낮아질 것이라고 생각하지 않으며, 이는 앞으로 수십 년 동안 에너지 저장의 획기적인 발전을 필요로 한다는 뜻입니다. 이미 철로 배터리를 만드는 스타트업이 있어서, 초저비용 요건을 충족할 방법은 있어 보입니다.37 하지만 이러한 기업이 확장하려면 많은 공공 및 민간 지원이 필요합니다.

중국은 친환경 기술 분야에서 뛰어난 역량을 발휘하고 있기 때문에 곧 탄소 배출 정점에 도달하고 2020년에 설정한 2060년 넷제로 배출을 달성할 방법을 찾을 것입니다.38 그러나 필자가 태어난 나라 인도에서 어떤 일이 일어나느냐에 따라 세계가 기후 목표를 달성할지 여부가 결정될 가능성도 있습니다. 인도의 경제 규모와 앞으로의 경제 성장은, 화석 연료 사용량이 증가하는 방향을 만들 수도 있으며, 공평하게 생각하면, 인도는 화석연료 사용을 어느 정도는 누릴 자격이 있다고 볼 수도 있습니다. 그렇지만 인도는 태양광 발전 성장 스토리를 놀라운 속도로 쓰고 있으며, 미국, 유럽 등이 채택한 방식에 대비해, 인도는 다른 발전 방향을 추구하고 있다는 증거이기도 합니다.