안녕하세요. 오늘 분석해 볼 기업은 퀀텀 스케이프 Quantumscape (QS)입니다. 퀀텀스케이프는 전고체 배터리의 선두자로 불리고 있습니다. 그렇다면 퀀텀스케이프를 알아보기 전에 배터리에 대해서 알아볼까요??
배터리 종류
현재 우리 주변에서 볼 수 있는 배터리는 크게 3종류입니다. NCMA 배터리, LFP 배터리, 전고체 배터리입니다. NCMA 배터리는 Nikkel, Cooper, Mangan, Aluminium을 이용해 만든 배터리입니다. NCMA배터리는 보통 양극재에 니켈이 60% 정도 들어가는데, 이를 80%까지 끌어올려 만든 배터리입니다. 니켈과 같은 경우 가격이 무척 비싸고 안정성이 낮습니다. 그렇기 때문에, 며칠 전 테슬라에서도 저가형 전기차를 위해 LFP배터리를 선택하겠다 라고 말한 것으로 보입니다. 아무튼 니켈과 같은 경우는 보통 LFP배터리에 들어가는 비용보다 적어도 30% 이상 비싼 것으로 보입니다.
아래 원자재 가격 추이를 보게 되면 니켈의 가격이 리튬보다 엄청나게 높다는 것을 알 수 있습니다. 2021년부터 약 2배 이상 가량 리튬보다 비쌀 전망입니다. 이는 NCMA배터리의 원가를 높이는 이유가 됩니다. 완성차 업체 입장에서도 더 높은 원가율을 가져가야 하기 때문에 부담요인입니다.
또한 안정성 문제도 있었으나, 최근에는 분리막과 음극재 기술을 보안해 안정성 문제를 줄여나가고 있습니다.
LFP배터리는 리튬 인산 철을 이용해 만든 배터리입니다. LFP배터리는 NCMA배터리와는 약간 반대되는 특징을 가지고 있습니다. 리튬 인산 철 가격은 비교적 니켈에 비해 싸고, 기술적인 면에서도 진입장벽이 낮기 때문에, 가격이 낮습니다. 안정성도 안정적입니다. 우리가 사용하는 스마트폰이 대부분 리튬 1차 전지로 만들어지고 있습니다. 지금까지 사례를 보면 스마트폰 화재 사건은 그렇게 이슈가 많이 나오고 있지도 않고, 나오더라도 피해 규모가 크지 않습니다. 그러나 문제점은 에너지 효율이 나빠 배터리 크기가 커지며, 성능도 낮고, 무엇보다 온도에 따라서 배터리 성능이 크게 반감되기도 합니다.
전고체 배터리는 밑에서 설명하도록 하겠습니다.
전고체 배터리란?
전고체 배터리란 양극과 음극 사이의 전해질이 고체인 배터리를 뜻합니다. 전해질을 설명하기 전에 이온성 액체를 설명해야 합니다. 이온성 액체는 액체 상태로 있는 염(Salt)으로 양이온과 음이온 간의 비대칭성으로 인해 고체상태가 아닌 액체상태로 남아있는 물질입니다. 특징으로는 낮은 융해점, 무 증기압, 높은 열 안정성 넓은 전기화학 안정성 등등을 지니고 있습니다. 이 이온성 액체는 고체가 되지 못하고 액체로 남아 있기 때문에 다른 재료를 결합해 선택적으로 고체를 만들 수 있다는 성질을 같고 있습니다. 이로 인해, 이온성 액체의 특징을 가지면서 고체형태로 만들어, 안정적인 전해질을 만들려고 하였습니다. 이게 전고체 배터리입니다.
전고체 배터리는 기압이 낮고 융해점이 낮으며, 높은 열화학적인 안정성을 가지고 있어, 저온에서도 큰 효율을 낼 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 이는 고온으로 인한 발화 이슈가 줄어들기 때문에 배터리에서 가장 문제가 되고 있는 발화에 대한 안정성이 높습니다. 또한 이온성 액체는 굉장히 밀도가 높고 에너지 효율이 좋습니다. 이를 고체로 만들어서 사용하기 때문에, 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 이를 다른 말로 하면 배터리의 중량이나 크기를 줄일 수 있다는 말이기도 합니다. 실제로 전고체 배터리는 우리나라에서 많이 생산하고 있는 NCMA 배터리보다 크기나 중량이 획기적으로 낮습니다.
이러한 이유로 전고체 배터리는 꿈의 배터리라고 불리고 있습니다. 지금까지의 배터리의 문제점을 해결해주기 때문인데요. 현재 배터리들은 내연기관 엔진에 비해 큽니다. 그렇기 때문에, 전기차에서는 트럭이 나오기가 힘듭니다. 트럭은 대부분 화물용으로 만들어지는데, 현재 배터리가 화물차 설계나 규격을 못 따라가기 때문입니다. 그래서 여러 수소차 기업들이 화물용 트럭에 목숨을 거는 이유가 자동차 자체는 이미 전기차로 충분해 어느 정도 레드오션에 접어들었으나, 트럭에서는 블루오션이기 때문입니다. 이러한 전기차의 문제를 해결해 줄 수 있는 것이 전고체 배터리입니다.
그러나 문제는 아직까지 높은 기술력이 없습니다. 또한 설비투자가 제대로 들어가지 않아 제조원가가 무척이나 비싸며, 대기 중에서 수분과 만나게 되면, 황화수소가 발생합니다. 이 황화수소는 주로 선박에서 나오는 물질인데, 대기층 및 바다에 뿌려지게 되면 수많은 수중생물을 죽이기 때문에, 국제적으로 줄여나가는 추세입니다. 이는 환경문제를 야기할 수 있기 때문에, 전고체 배터리에 좋은 스쿠루버(탈황 기기)가 같이 달려야 합니다.
전기차 시장 전망
최근 환경 이슈 때문에 전기차 시장의 성장세가 무섭습니다. 이번 3분기의 테슬라 실적만 보아도 깜짝할만한 수익을 냈습니다. 약 분기 영업이익이 1조 원 이상이 나온 것입니다. 예상치도 못한 수익은 탄소배출권 가격 상승뿐만 아니라, 전기차의 인도 숫자 증가, 다른 전기차와 다르게 발 빠른 가격 인상으로 마진 보전, 차량용 반도체 이슈에서 비교적 자유롭다 등등이 있습니다. 테슬라 이야기하려는 것은 아니고 테슬라를 보게 되면 전기자동차 시장이 얼마나 핫한지 알 수 있습니다.
세계 각국이 파리 기후 협약 이후 환경에 대한 이행률도 높아지고 있고, 정책에 대해서도 굉장히 민감하게 반응하고 있습니다. 파리 협약에서 나온 자동차에 관한 탄소 배출 감축 목표는 자동차 시장의 내연기관 판매 금지, 연비 규제, 친환경 자동차 보급 확대 정책 등등을 추진 중입니다.
특히 내연기관 차량 판매 금지가 눈에 띄는데요. 내연기관 차량은 2021년 코스타리카를 필두로 2025년 네덜란드 노르웨이, 2050년 일본을 마지막으로 차량 판매가 금지됩니다.
이로 인해 지금도 크게 성장하고 있으나, 2023년 이후부터는 2025년을 대비해, 수많은 기업이 전기차를 내놓을 것이며, 전기차 시장도 이에 급격하게 성장할 것으로 예상됩니다. 전기차 시장의 성장에 따라 2차 전지 기업도 덩달아서 성장하게 될 전망인데요.
위에 표를 보게 되면 전기차의 2023년 판매 전망은 약 860만 대이며, 2024년에서 2025년 넘어갈 때는 2024년에는 약 950만 대 수준에서 2025년에는 120만 대가량으로 급격하게 늘 전망입니다. 그와 더불어 배터리도 2023년에는 570 Gwh 수준에서 2024년에 630 Gwh 2025년에는 급격하게 성장한 900 Gwh수준입니다. 그렇다면 시장의 상승 곡선은 확실해 보이는데요. 문제는 직접적인 금액으로 체감되지 않아 많은 사람들이 전기차 시장 전망에 대해 헷갈려하는 부분이 많습니다.
전기차 배터리 팩의 2019년 단가는 156달러/Kwh입니다. 위에 그래프를 확인하면 알 수 있듯이, 기술이 개발되면 될수록, 설비투자가 되면 될수록, 연도별 평균단가가 낮아지는 것을 확인할 수 있습니다. 2025년 전망은 100달러/Kwh보다 조금 높은 수준으로 전문가들은 예측하고 있습니다. 그렇다면 2020년이 약 150달러/Kwh라고 가정하고, 2025년에 105달러/Kwh라고 가정해본다면, 2020년에는 28500000000달러 한화로 약 33조 정도의 시장이고, 2025년에는 105조 정도로 시장이 커질 예정입니다.
또한 2030년에는 대부분의 차가 전기차로 출시가 될 것이고, 2020년 자동차 판매량이 7000만 대였던 것을 가정해, 자동차 시장이 연평균 6% 정도 성장을 함으로, 2030년도에는 약 1억 2000만 대 정도 출하될 것으로 예측이 가능합니다. 그중 절반 정도를 전기차로 예상해본다면, 6000만 대 정도가 전기차이고, 이는 2025년에 전기차 출하량이 1200만 대, 배터리 시장의 규모가 105조 인 것을 생각해 6000만대로 적용해 본다면 2030년도의 배터리 시장은 약 530조 수준임을 알 수 있습니다. 물론 대략적인 통계이기 때문에 정확하다고 말하긴 힘들지만, 단순비교로는 이러한 시장값이 도출됩니다.
퀀텀스케이프 (QS) Quantumscap는?
퀀텀스케이프 (QS) Quantumscape는 스탠퍼드 대학교 Fritz Prinz 교수에 의해 설립된 기업으로써, 2012년 폭스바겐과 협력을 시작으로 유명해진 기업입니다. 또한 빌 게이츠도 투자를 함으로써 더욱 유명해졌는데요 2019년 10월 스펙 상장을 해서 Qs라는 기호로 상장을 하게 되었습니다.
퀀텀 스케이프는 전기자동차 및 전기자동차에 필요한 AP를 위한 차세대 배터리를 개발하는 기업입니다. 차세대 배터리로는 솔리드 스테이트 EV 배터리(전고체 배터리)를 생산을 위해 도전하는 기업입니다. 이 배터리들은 기존 리튬 이온 배터리와 비교해 보았을 때 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 빠른 충전, 높은 안정성을 가지고 있다고 합니다. 솔리드 스테이트 EV 배터리(전고체 배터리) 관련해서 특허를 400개 이상 가지고 있어 높은 기술을 보유하고 있다고 합니다. 이 기업은 상장 당시에는 1개의 배터리 셀에 대해서만 연구를 하였으나 최근에는 셀을 여러 겹 쌓아 올리는 다층화에 대한 연구도 이어지고 있습니다. 퀀텀 스케이프는 2021년 5월 4층 셀에 대한 연구결과를 발표하였으며, 2021년 7월에는 최초로 10층 셀에 대해서 테스트를 했습니다. 이는 이미 상업적으로도 어느 정도 생산이 가능한 레벨인 것으로 보입니다. 최근에는 20층까지 특허를 보유했다.라는 소식이 들려오고 있습니다. 그러나 상업적으로 완벽하게 시장점유율을 빼앗아 오기 위해서는 최소 수십에서 백개 이상의 층을 쌓아야 하는 것으로 확인됩니다. 퀀텀스케이프는 이러한 층 기술 및 전고체 배터리 기술로 2022년까지 상업 개발 완료 2024년 공장 완성 뒤에 판매를 개시할 것으로 보입니다.
또한 퀀텀스케이프는 층 기술만 연구하고 있는 것이 아닙니다. 셀의 전극을 분리하는 배터리 분리막에 대한 연구도 지속적으로 하고 있습니다. 배터리 분리막의 두께가 얇아지면 얇아질수록 배터리의 에너지 효율이 좋아지기고, 각 회사마다 요구로 하는 배터리의 성능이나 구조가 다릅니다. 그러나 처리량과 관련되어 분리기 생산의 볼륨을 늘리면 많은 고객들에게 셀을 테스트할 수 있는 기회 증가로 이어져 고객을 확보하는 데에 유리합니다. 이에 대한 연구가 지속적으로 이어지고 있습니다.
퀀텀스케이프는 분리막 제조 공정 개선과 양극에 대한 개선 연구도 활발하게 하고 있습니다.
분리막 제조 공정은 세라믹 사업에서 가장 많이 쓰이는 연속 처리 방법을 선택하고 연구하고 있습니다. 연속 처리 방법으로 인해 일관적으로 처리하게 되면 분리기의 품질이 향상되고 수율이 상승합니다. 또한 이런 공정은 층의 수에 필요한 처리량을 늘리며, 더 많은 층을 만들어 낼 수 있어 유리합니다.
양극재의 개선 연구도 지속적으로 하고 있습니다. 기존 배터리인 NMC와 같은 양극활 물질을 사용하여 양극재와 혼합됩니다. 퀀텀스케이프는 수년에 걸쳐 유기 고분자 및 유기 액체 전해질의 혼합물로 만들어진 양극재를 개발하기 위해 테스트 중입니다. 지속적으로 셀에서 고체, 전고체 젤 액체 음극재를 실험하고 있습니다.
위에서도 설명했지만 이 기업이 주로 주목하고 있는 것은 고체 리튬 금속 전고체 배터리입니다. 리튬 금속 전고체 배터리는
퀀텀스케이프는 배터리의 충전 속도 문제를 지적하며 배터리의 충전 속도를 늘리기 위해 Dendrites 대신 Ceramic separate를 사용해 15분 안에 80% 이상 충전할 수 있도록 만들고 있습니다. 이는 타사 대비 높은 충전 효율을 보여주고 있습니다.
배터리는 차량의 수명과 함께 유지될 수 있도록 하고 있습니다. 기존 리튬이온 전지 같은 경우는 6만 마일이면 성능 저하가 뚜렷했으나 퀀텀스케이프의 전고체 배터리는 240000만 마일로 유지되도록 합니다.
배터리는 전체 수동적인 온도 범위에서 작동할 필요가 있다. 보통의 배터리들은 60도가 넘어가고 영하 25도보다 낮아지면 안 됩니다. 그러나 위에 설명한 리튬인산철 배터리는 발화점이 낮아 낮은 온도에 약하며, 또한 고체 같은 안정적인 상태가 아니어서 겨울철 성능 저하도 뚜렷합니다. 그에 비해 NCMA배터리는 고온으로 형성되기 때문에 온도가 너무나도 높아져 폭발 위험이 있습니다. 퀀텀 스케이프는 발화점이 낮고 향상성이 뛰어난 전고체 배터리를 만들기 때문에 이러한 폭발이나 성능 저하 이슈에서 굉장히 자유롭습니다.
양극재에 있는 얼마나 많은 리튬을 작게 만들 수 있는가가 중요합니다. 이 부분을 작게 해야 에너지 밀도를 높일 수 있으며. 비용 낮추기가 가능해집니다.
고체 리튬 금속 배터리에 대해서 더 자세히 알아보자!
퀀텀스케이프와 같은 경우는 양극재 없이 제작되기 때문에 크기가 작아지고 에너지 밀도도 높으며 비용이 낮아질 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 위에 사진은 이전 전고체 배터리입니다. 보시면 전극막, 리튬 접근, 음극재, 분리막으로 이루어져 있습니다.
퀀텀스케이프는 음극재와 Excess 리튬을 없애고 금속(세라믹)분리막을 사용함으로써 사진으로만 봐도 기존 배터리보다 공간이 30%가량 절약되는 모습을 보이고 있습니다. 그리고 솔리드스테이트 세라믹 분리막 만을 사용하고 있어 고체 리튬 금속 배터리입니다. 이 분리막은 퀀텀스케이프의 독점 세라믹 재료를 이용해 만들었습니다. 이 세라믹 분리막은 음극액과 결합합니다. 이 분리막을 사용학 되면 음극의 전압 조절이 가능하고 운송요구도 맞출 수 있으며 회사마다 다른 음극액양을 자발적으로 조절해 많은 기업의 요구를 맞출 수 있습니다.
그리고 이러한 구조는 안전하고 빠르게 충전되며 높은 효율을 보여주고 있습니다.
이러한 퀀텀스케이프 솔리드스테이트 배터리의 장점은 퀀텀스케이프는 목표 1000Wh/L로 높여, 현재 전기 자동차에 비해 성능이 50~80% 정도 개선될 것으로 예상됩니다.
퀀텀스케이프의 주가는 현재 굉장히 낮은 상황입니다. 여러 논란이 있기 때문인데요. 일단 다른 기술력에 비해 진입장벽이 높은 것은 사실이고 기술력이 높은 것은 사실이나, 이러한 기업이 언제 어떻게 성장을 할 지는 의문이라는 점입니다. 둘째 기업 총수들이 한탕 벌어먹고 빠질려고 한다라는 의혹이 있기 때문입니다. 이러한 이유로 퀀텀스케이프는 주가가 많이 빠졋으나, 지속적인 R&D를 하고 있다는 점은 긍정적입니다.
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