지속 가능한 배터리 원자재 공급을 유지하기 위한 방안

 

Net-Zero 전환을 위해서는 저탄소 기술의 개발과 출시를 지원하기 위해 막대한 양의 원자재가 필요합니다. 배터리 전기 자동차(BEV)는 탄소중립으로 가는 과정에서 핵심적인 역할을 할 것입니다.

McKinsey는 BEV 부문의 전 세계 승용차 수요가 2021년부터 2030년까지 6배 증가하여 같은 기간 연간 판매량이 450만 대에서 약 2,800만 대로 증가할 것으로 예상합니다. 배터리 셀 및 원자재 생산업체의 경우 지속 가능하고 저렴한 원자재를 안정적이고 충분히 공급하는 것이 경쟁력, BEV의 지속적인 출시, 전반적인 Net-Zero 전환에 매우 중요할 것으로 전망합니다.

업계는 장기적으로 지속적인 도전에 직면할 가능성이 높으며, 2030년 수요를 따라잡기 위해 이러한 문제를 해결해야 할 것입니다. 이 글에서는 가치 사슬 전반에 걸쳐 탄소 배출을 줄이고 자연과 지역사회에 미치는 악영향을 줄이는 문제와 이를 극복하기 위해 배터리 소재 생산업체가 고려할 수 있는 조치에 대해 살펴봅니다.

 

배터리 원자재의 수급 불균형은 지역 단위에서 발생합니다.

내연기관 자동차에서 배터리 전기자동차로의 전환은 소재 산업에 큰 영향을 미치고 있습니다. 배터리 전기 자동차의 증가는 배터리 소재에 대한 수요 증가로 이어질 것입니다. 예를 들어, 배터리 전기 자동차는 일반적으로 동급 내연기관 자동차보다 15~20% 더 무겁고, 추가 무게의 상당 부분이 배터리 애플리케이션에서 발생합니다. 이러한 배터리 소재 수요 증가 전망에도 불구하고 2024년은 경제 성장 둔화와 특히 니켈과 리튬과 같은 배터리 소재의 가격 상승 압력으로 인해 업계에 어려운 한 해가 될 것으로 예상됩니다.

그러나 탄소중립 전환 목표를 달성하기 위해 배터리 소재를 생산하고 소비하는 기업은 가용성(증가하는 수요를 충족하고 지역별 공급 안정성 보장), 경제성(소재와 해당 소재로 만든 제품 및 애플리케이션의 경제성을 보장하기 위한 가격 경쟁력 유지), 지속가능성(정부, 고객, 산업 협회가 정한 소재의 환경, 사회, 거버넌스(ESG) 표준 및 요구 사항 준수 또는 초과)의 3가지 측면에서 '소재 트릴레마 (materials trilemma)'를 균형 있게 고려해야 합니다.

연소가스 배출에 집중하던 자동차 OEM은 이제 배터리 배출량의 상당 부분을 차지하는 재료 사용으로 인한 Scope 3 배출을 줄이는 방향으로 나아가고 있습니다. 배터리 시장 자체에서는 배터리 성능과 비용의 균형을 맞출 필요성에 따라 배터리 화학 물질의 선택에 따라 소재 수요가 결정됩니다. 현재 배터리 화학 물질에는 NMC와 LFP의 두 가지 제품군이 있습니다. 망간을 더 많이 함유한 배터리 기술도 등장하고 있습니다. 이러한 화학 물질은 물질 함량에 따라 다르며 제조업체는 화학 물질의 실제 구성에 따라 성능이나 비용을 조정할 수 있습니다. Scope 3 감축과 지속 가능성에 대한 관심이 높아지면서 배터리 소재 소싱은 배터리 생산업체와 자동차 OEM에게 중요한 결정입니다.

더 넓은 차원에서 보면, 자동차 및 에너지 부문에서 배터리 수요가 빠르게 증가함에 따라 원자재 생산업체와 배터리 제조업체는 전례 없는 수준의 투자를 진행하고 있습니다. 다양한 배터리 화학물질의 채택 규모에 대한 불확실성이 존재하지만, OEM이 보급형 모델 포트폴리오에 LFP를 추가하거나 아예 이 화학물질로 전환하는 사례에서 알 수 있듯이 LFP를 향한 분명한 추세가 있습니다.
맥킨지의 최신 분석에 따르면 특정 소재의 경우 수요가 기본 공급을 앞지를 것으로 예상되며, 추가 투자가 필요하고 공급 부족과 가격 변동성 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

 

2030년 배터리 원자재 공급 전망

현재 시장 관측에 따르면, 배터리 제조업체들은 2030년까지 몇 가지 필수 배터리 원자재 공급 확보에 어려움을 겪을 것으로 예상됩니다(Exhibit 1a). 이러한 원자재 외에도 다른 광물도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다

필수 배터리 원자재 외에도 흑연과 유황은 배터리 전기 자동차로의 전환에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 그러나 두 광물 모두 고유한 도전 과제에 직면해 있습니다.

 

흑연

흑연은 자연적으로 발생하지만 합성으로도 생산할 수 있습니다. 합성 흑연은 생산량을 빠르게 늘릴 수 있지만 천연 흑연은 생산 비용이 더 저렴할 수 있습니다. 배터리 제조업체는 목적에 맞는 최적의 물리적 특성을 가진 혼합물을 만들기 위해 이 두 가지를 결합하는 경우가 많습니다. 중요한 것은 흑연 생산(특히 합성 흑연의 경우)은 CO2를 배출하는 것으로 간주된다는 점입니다. 합성 흑연 생산의 또 다른 큰 과제는 고품질 니들 코크스를 생산하기 위한 전구체인 메조카본 마이크로비드 (mesocarbon microbeads)를 적절히 확보하는 것이며, 이는 고품질 합성 흑연 생산에 필수적입니다. 오늘날 천연 흑연의 60% 이상이 중국에서 생산되고 있지만 사하라 이남 아프리카와 북미에서 공급이 증가하고 있습니다.

 

유황

황산 형태로 사용되는 황은 니켈, 리튬, 망간, 구리를 비롯한 배터리 소재의 정제 공정에 필수적인 시약입니다. 황은 주로 석유와 천연가스의 탈황을 통해 생산되기 때문에 에너지 전환의 일환으로 이러한 화석 연료의 소비가 감소하면 황 공급에 차질이 생겨 궁극적으로 배터리 생산에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

Exhibit  1a

 

리튬

배터리 생산업체들은 현재 채굴된 리튬의 80% 이상을 사용하고 있으며, 2030년에는 그 비중이 95%까지 늘어날 것으로 예상됩니다. [11] 발표된 공급량 증가의 일부는 이전에는 접근이 불가능했던 대규모 매장지를 개방하는 비용 효율적인 리튬 공급원인 리튬 직접 추출 기술의 채택으로 뒷받침되고 있습니다. 기술 발전이 리튬 중대형 배터리를 선호하는 방향으로 변화함에 따라, 최신 수요 추정치에 따르면 2030년 수요를 충족하려면 리튬 채굴이 크게 증가해야 할 것입니다.

 

니켈

BEV로의 전환으로 인한 니켈 부족에 대한 우려로 인해 이미 동남아시아를 중심으로 신규 광산에 대한 상당한 투자가 이루어지고 있지만, 시간이 지남에 따라 전기차용 리튬-NMC 배터리에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 더 많은 공급이 필요할 것입니다. 오늘날 1급 니켈 수요의 대부분은 여전히 스테인리스강 부문(약 65%)에서 발생하지만, [12] 배터리 부문이 철강 및 기타 부문과 니켈을 두고 점점 더 경쟁할 것으로 예상되어 2030년에는 약간의 부족 현상이 발생할 가능성이 높아질 것으로 예상됩니다.

 

코발트

구리와 니켈 생산의 부산물인 코발트의 약 64%는 콩고민주공화국(DRC)에서 생산됩니다. 배터리 화학 혼합에서 코발트가 차지하는 비중은 감소할 것으로 예상되지만, 모든 애플리케이션에서 코발트의 절대 수요는 2023년부터 2030년까지 매년 7.5%씩 증가할 수 있습니다. 주로 콩고민주공화국 구리 광산과 인도네시아 니켈 광산에서 공급이 증가할 것으로 예상됩니다. 코발트의 부족 가능성은 낮지만 니켈과 구리의 성능에 따라 공급이 좌우될 것입니다. 또한 코발트 가격의 역학 관계와 가치 사슬의 투명성이 높아지면 코발트 수요가 다시 증가할 수 있습니다.

 

망간

망간 공급은 2030년까지 완만하게 증가할 것으로 예상됩니다. 그러나 배터리용 망간에 대한 수요 증가가 공급을 앞지르면서 새로운 정련소 개발이 필요할 것으로 보입니다. 망간 광석은 풍부하지만 배터리 응용 분야에서는 광석을 고순도 황산망간 일수화물(HPMSM)로 전환해야 합니다. 정제소를 가동하는 것이 광산을 건설하는 것보다 리드 타임이 짧을 수 있지만, HPMSM 생산에는 특히 직접 침전 정화 공정을 통해 일반적인 불순물(마그네슘, 칼슘, 칼륨, 철 등)에서 망간을 분리하는 매우 우수한 공정 제어가 필요합니다. 정제를 위해 전기 제련 경로를 사용할 때 망간은 구리와 같은 다른 금속처럼 쉽게 도금되지 않으므로 금속을 도금한 다음 벗겨내기 위해서는 더 엄격한 공정 제어와 운영 경험이 필요합니다.

 

LFP 기술의 빠른 도입을 고려하여 두 가지 시나리오로 수요와 공급의 균형을 모델링했습니다. 기본 시나리오에서는 최신 수요 추정치를 사용하여 2030년에는 HPMSM 공급량의 약 20%만이 배터리 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 것으로 예상되며(발표된 모든 프로젝트가 실현될 경우 30%), 이는 전체 망간 수요의 약 5%에 불과할 것으로 McKinsey는 분석했습니다. LFP 기술의 급속한 채택과 전기차 생산의 낮은 성장이 맞물리는 세계에서는 배터리 소재의 수요가 달라질 수 있습니다(Exhibit 1b).

Exhibit 1b

 

글로벌 트렌드가 공급에 미치는 영향

한편, 배터리와 원자재에 대한 전반적인 수요는 빠르게 증가하고 있지만, 공급은 니켈의 경우 인도네시아, 리튬의 경우 아르헨티나, 볼리비아, 칠레, 코발트의 경우 DRC 등 일부 천연자원 보유국에 집중되어 있으며 앞으로도 계속 집중될 것입니다. 정련은 일반적으로 중국(코발트 및 리튬), 인도네시아(니켈), 브라질(니오븀) 등 다른 곳에서 이루어집니다. 이러한 가치 사슬 구조는 수입 수요가 많고 단일 국가 공급원에 크게 의존하는 유럽연합과 미국 같은 지역에 추가적인 고려 사항을 제기합니다. 예를 들어, 유럽연합은 코발트의 68%, 니켈의 24%, 정제 리튬의 79%를 DRC에서 수입하고, 칠레에서 수입합니다.

 

ESG 기준과 공급망 투명성은 전환 과정의 중요한 요소이다

또한 정제된 니켈, 코발트, 리튬과 같은 소재의 공급 집중도는 알 수 있지만 원자재의 원산지를 완전히 파악하기 어려운 경우도 있습니다. 95% 이상이 중국에서 생산되고 소량이 벨기에와 일본에서 수입되는 고순도 망간, 거의 전량이 중국에서 정제되는 흑연, 중국이 거의 독점하고 있는 양극 생산(양극은 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소) 등이 이에 해당합니다. 

배터리 원자재 공급의 원산지에 대한 투명성이 제한적이라는 점도 광범위한 ESG 우려와 관심을 불러일으킵니다. 예를 들어, EU 배터리 규정은 원자재 조달부터 배터리 수거, 재활용, 용도 변경에 이르기까지 전체 수명 주기 동안 배터리를 지속 가능하게 만드는 것을 목표로 합니다. 앞으로 ESG 문제를 해결해야 한다는 압박은 더욱 커질 것입니다.

2021년부터 2023년까지 마그네슘, 실리콘, 반도체에 영향을 미치는 공급망 차질과 같은 최근의 공급망 혼란으로 인해 핵심 배터리 원자재에 대한 공급망 복원력을 강화하려는 구매자의 요구가 증가했습니다. 최근 중국의 일부 원자재 (예: BEV에 사용되는 합성 흑연 및 천연 플레이크 흑연 제품)에 대한 수출 규제와 인도네시아의 니켈 광석 수출 금지 등 수출국들의 무역 제한 조치로 인해 구매자의 수입 의존 리스크는 더욱 높아졌습니다. 이러한 위험을 완화하고 공급 안정성, 경제 다각화, 고용 창출을 보장하기 위한 노력의 일환으로 유럽연합과 미국은 핵심 원자재를 국내에서 생산하고 현지 배터리 생산을 늘리기 위해 다양한 정책 및 규제 조치를 제정하고 있습니다. 또한 세금 공제, 우려되는 외국 법인에 대한 제한 등 다양한 인센티브를 통해 국내 이해관계자들을 유치하여 공급업체들이 다른 지역에서 자국으로 활동을 이전하도록 유도하고 있습니다.

 

오늘날 배터리 원재료의 배출 프로필은 어떻게 되나요?

BEV의 도입은 경제의 운송 부문 탈탄소화의 핵심이므로 전체 가치 사슬에서 온실가스 배출을 줄이는 것이 중요합니다. 평균적으로 배터리 배출량의 약 40%는 업스트림 원자재 채굴 및 정제 공정에서 발생합니다( Exhibit 2)

 

Exhibit 2

 

또한, 업스트림 배출량의 40%는 일반적인 전기차 배터리 셀의 핵심 구성 요소에 따라 추가로 정의할 수 있습니다. 배터리 유형에 따라 배출량 프로필이 다릅니다. 예를 들어, 설계 특성상 NMC 배터리의 양극은 LFP 배터리의 음극보다 방출량이 더 많습니다 (Exhibit 3). 그러나 두 배터리 유형의 총배출량을 계산하려면 채굴업체의 추출 및 정제 관행과 배터리 생산업체의 소싱 전략을 고려해야 합니다.

 

Exhibit 3

음극을 만드는 데 필요한 원재료는 배터리 원재료(전극박 제외)에서 발생하는 총 배출량의총배출량의 약 50~70%를 차지하며, 니켈과 리튬은 NMC 배출량(각각 약 40%, 20%)에, 인산염은 LFP 배출량(약 30%)에 가장 큰 영향을 미칩니다. 한편, 양극 전극을 만드는 데 필요한 원재료는 배터리 원재료에서 발생하는 총배출량의 10~15%를 추가로 차지합니다. 음극 전극 생산에 사용되는 재료의 원재료 배출량(재료 변환과 관련된 배출량 제외)만 살펴보면, 흑연 플레이크 및 석유 코크스와 같은 흑연 전구체는 가장 배출량이 많은 재료로 배터리 원재료 총배출량의 약 7~8%에 기여합니다. 중요한 것은 흑연이 천연인지 합성인지에 따라 배출량이 달라진다는 점입니다. 일반적으로 합성 흑연의 생산은 변형 배출량이 훨씬 더 높기 때문에 천연 흑연보다 더 많이 방출됩니다.

시간이 지남에 따라 업계에서 가장 배출 집약적인 물질의 배출을 줄이면 상대적으로 배출 집약도가 낮은 물질의 배출량은 증가할 것입니다. 예를 들어 망간은 현재 NMC 배터리 배출량의 4%를 차지하지만, 이미 진행 중인 탈탄소화 노력으로 리튬(50%), 니켈(50%), 알루미늄(70%)의 배출량을 크게 줄일 것으로 예상되어 "저탄소" 배터리로 분류될 수 있을 것으로 보입니다. 이러한 감축이 달성되면 전체 배출량에서 망간의 기여도가 거의 두 배로 증가할 수 있습니다. 결론은 배출원 및 탈탄소화 수단에 대한 확실한 이해를 바탕으로 한 목표 감축 전략이 사용되는 모든 재료에 걸쳐 필요하다는 것입니다.

마찬가지로 배출량 프로필은 생산 단계와 생산 방식에 따라 달라지며, 배터리에 사용되는 모든 재료에서 가공 및 정제 단계가 가장 배출량이 많은 단계입니다 (Exhibit 4). 예를 들어, 니켈과 같이 배출 집약도가 높은 소재의 경우 제련 및 정제 과정에서 상당한 양의 에너지가 필요하며, 특히 고압 산 침출 또는 회전식 킬른 전기로 공정을 사용하여 라테라이트를 처리할 때 일반적으로 화석 연료 사용으로 인한 배출이 발생합니다.

 

Exhibit 4

 

지속 가능한 배터리란 어떤 모습일까요?

업계 최고의 배터리 생산업체들이 가치 사슬의 각 단계에서 탈탄소화 조치를 취함으로써 두 가지 목표(Horizon)에 걸쳐 배출량을 크게 줄일 수 있는 기회가 있다고 생각합니다(Exhibit 5).

2030년(Horizone 1)까지는 배출량을 70% 이상 줄여 킬로와트시당 이산화탄소 환산량(CO2e/kWh) 24kg 미만으로, 2040년(Horizon 2)까지는 배출량을 12kg CO2e/kWh 미만으로 더 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다. 대부분의 야심찬 배터리 제조업체는 2030년 초에 10kg CO2e/kWh를 달성하겠다는 목표를 세웠습니다.

 

Exhibit 5

 

Horizon 1 actions

배터리 생산업체가 이미 저공해 연료와 동력원으로 전환한 업체 등 가장 지속 가능한 생산업체로부터 원료를 공급받는다면 이론적으로 원재료 채굴 및 정제로 인한 배출량을 최대 80%까지 줄일 수 있습니다

이산화탄소 배출량을 줄이는 '친환경 (Green)' , 저탄소 (Low carbon)의 정의에 대해서는 업계 합의가 명확히 이루어지지 않고 있습니다. 이 문서에서는 다음과 같이 정의합니다

 - 저탄소 구리: 1톤(tCO2/t) 당 1.5톤 미만의 이산화탄소 배출(부문 평균 배출량인 약 3.0 tCO2/t) - 저탄소 알루미늄: 배출량 4 tCO2/t 미만(1차 알루미늄의 평균 배출량 약 14 tCO2/t와 비교)

- 저탄소 리튬: 배출량 5 tCO2/t 미만(부문 평균 배출량 약 10 tCO2/t와 비교)

- 저탄소 니켈(클래스 1): 20 tCO2/t 미만의 배출량(부문 평균 배출량 약 29 tCO2/t와 비교)

- 저탄소 고순도 황산망간 일수화물 (manganese sulfate monohydrate): 2 tCO2/t 미만의 배출량(부문 평균 배출량 약 5 tCO2/t와 비교).

현재 시장에는 수많은 저탄소 1차 소재 및 재활용 소재 공급업체가 있으며, 지속적인 혁신으로 그 수가 계속 증가하고 있습니다. 

 

Horizon 2 actions

호라이즌 2 행동은 호라이즌 1 행동을 확장하고 새로운 행동을 추가하는 것으로, 배터리 재료를 재활용하고 친환경 화학물질을 사용하여 원재료 및 기타 부품을 생산함으로써 Scope 3 배출을 줄이는 것을 포함합니다. 2040년까지 1차 배터리 재료 생산에서 배출되는 scope 2 배출량(power)과 scope 1 및 scope 3 배출량( process reagents )도 크게 감소할 것입니다. 예를 들어, 2040년까지 초저탄소 1차 알루미늄(불활성 양극 또는 탄산염 처리 기술 기반)이 대규모로 처리되어 배출량이 낮아질 것으로 예상됩니다(2차 알루미늄의 낮은 배출량과 비슷함).

원료 공급이 증가하고 재활용에 대한 규제가 강화됨에 따라 2040년까지 배터리 제조용 재활용 원료 공급량은 소재에 따라 전체 수요의 거의 50%에 달할 것으로 예상됩니다(Exhibit 6).

Exhibit 6

가격 변동성 및 지역적 차원의 자재 부족과 같은 단기 및 중기 과제는 계속될 것입니다. 또한 배터리 소재와 배터리 폐기의 배출 및 기타 환경적, 사회적 영향과 관련된 심각한 지속가능성 문제가 대두되고 있습니다. 이러한 모든 과제는 배터리 셀 및 자동차 OEM 생산업체에게 배터리 소재 소싱과 이 매우 역동적인 분야의 소재 생산업체와의 협업이라는 측면에서 기회를 창출합니다. 저탄소 배터리 소비와 추적 가능한 생산을 보장하고 기업 및 국가의 탄소중립 목표를 달성하기 위해 전기자동차의 배출량 감축에 기여하려면 협업이 필수적입니다.

 

 

 

출처: Toward security in sustainable battery raw material supply

https://www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining/our-insights/toward-security-in-sustainable-battery-raw-material-supply