VW의 전지 수급및 개발 전략

요약: 폭스바겐의 전지 개발전략에서 주목해야하는 점은 전지규격을 통일하여 동일한 규격의 전지로 2030년까지 80%의 차량에 적용한다는 것이다. 전지 규격의 통일은 플랫폼 개발과 같이 진행되어야한다. 폭스바겐은 기존 MEB, PPE 두개의 전기차 플랫폼을 2026년부터 통합 플랫폼인 SSP로 통일하여 규격화된 전지의 비율을 늘려갈 계획이다.

또 하나 주목할 점은 전지의 규격은 통일시키지만 차량의 가격과 용도에 따라 엔트리 모델, 볼륨 모델, 프리미엄 모델로 차량 포트폴리오를 구별하고 각 포트폴리오에 맞춰 LFP, 하이망간, NCM등으로 전지 소재를 다르게 가져간다는 점이다.

1. 폭스바겐의 전지 수급 전략

폭스바겐은 2019년 그룹의 전동화 목표를 구체적으로 발표할 당시 전 세계 셀 생산 능력이 수요를 감당하기에 충분하지 않다고 판단했다. 전기차의 수요가 완만하게 증가하던 2019년 당시에는 아시아의 전지회사로부터 공급받는 것으로도 충분했지만 폭스바겐의 전동화에 탄력이 붙게 되면 유럽에서 전지를 생산하는 것이 경쟁력 측면에서 유리하다고 판단했기 때문이다.

이를 위해 폭스바겐은 전지 기술을 단계적으로 축적해 나가기로 하면서 다음과 같은 전지 전략을 수립해 왔다.

1). 첫 번째 단계에서는 기존의 전지 제조업체와의 전략적 제휴를 공고히 하는 것이다.

즉 장기적인 파트너십을 통해 향후 예상되는 기술의 진보를 실현하면서 안정적으로 전지를 확보할 수 있도록 했다. 이를 위한 주요 공급업체로는 SK이노베이션, LG화학, CATL 등이 포함되어 있고 2023년부터는 노스볼트로부터 각형셀을 공급받을 예정이다.

2). 두 번째 단계는 리튬이온전지의 연구개발 및 생산의 실질적인 노하우를 축적하는 것이다.

폭스바겐그룹은 2018년 독일 잘츠기터 (Salzgitter)에 우수성 센터 (Center of Excellence in Salzgitter)를 설치하여 그룹의 모든 전지 셀의 개발, 조달, 품질 보증 활동을 총괄하고 있다. 우수성 센터에는 시제작 라인을 갖추어 있어 전지 재료를 테스트하고 전지의 설계를 최적화하는 연구가 진행 중이다. 또한 제작된 전지를 평가하고 분석하는 설비들이 갖추어져 있다.

2018년 설치된 폭스바겐의 시제작 라인 및 평가 분석 설비

2020년 9월에는 파일롯 라인을 완공하여 자체 개발한 전지를 테스트하고 공정을 개발하고 있다.

2019 년 완공된 폭스바겐의 파이롯라인

3). 세 번째 단계에서는 전지 업체와 합작하여 전지공장을 세워  생산하는 것이다.

이를 위해 폭스바겐은 2021년 PowerDay에서 노스볼트와 합작하여 잘츠기터에 공장을 짓기로 발표했었다. 그러나 노스볼트는 2022년 우크라이나 전쟁으로 인한 독일의 전력가격 상승에 따른 수익성 악화 우려와 미국의 IRA정책에 따른 파격적인 보조금 지원으로 북미투자로 방향을 선회하였다. 이에 따라 노스볼트와 잘츠기터에 짓기로 한 전지공장은 폭스바겐의 전지를 제조하는 자회사인 PowrCo가 사들여 건설을 진행하고 있다.

잘즈기터에 건설중인 폭스바겐 전지 공장

4). 네 번째 단계에서는 자체 생산하는 것이다.

폭스바겐은 2021년 3월 Power Day행사에서 전지 전략을 발표하면서 외부 조달 계획뿐 아니라 2030년까지 자사 생산 전기차의 80%를 자체 생산한 전지로 조달하겠다고 발표하였다. 폭스바겐은 이를 위해 전지 사업부를 2022년 PoweCo라는 자회사로 독립시켰고 2030년까지 PoweCo에 200억 유로를 투자하여 240 GWh의 생산 능력을 확보하겠다고 발표하였다.

2021년 Power day에서 240GWh규모의 공장을 짓겠다고 발표

이를 위해 40 GWh규모의 공장을 유럽에 6개 짓겠다고 발표하였다. (현재는 유럽 5개 북미 1개로 변경이 되었다.) 첫번째 공장인 독일 잘츠기터 공장은 2022년 7월에 에 건설을 시작해 2025년 생산을 시작할 예정이다. 두 번째 공장인 스페인 발렌시아가 공장은 2023년 3월에 건설을 시작했고 2026년부터 생산을 시작할 예정이다. 나머지 3곳의 유럽 공장은 아직 윤곽이 드러나지 않고 있으나 1년 간격을 두고 순차적으로 생산을 시작할 것으로 알려져 있다. 3번째 공장은 유럽이 아닌 북미지역 캐나다 온타리오주로 확정되었고 2027년에 생산을 시작할 예정이다.

 

PowerCo의 전지 생산 설비 가동 계획

지역		생산능력(GWh)	생산시작
유럽	독일 잘츠기터	40	2025
	스페인 발렌시아	40+	2026
	미정	40+	2027+
	미정	40+	2028+
	미정	40+	2029+
북미	캐나다 온타리오	40+	2027

폭스바겐은 이 공장들을 통해 유럽과 북미의 자체 전기차 수요를 충당할 계획이지만 거기서 그치지 않고 다른 자동차 회사에도 판매할 계획이라고 밝혔다. 즉 전지를 자체 수요를 충당하는 데만 사용하지 않고 공급자 역할도 하겠다는 계획이다.

토머스 슈몰 (Thomas Schmall) 폭스바겐 기술담당 이사는 2023년 로이터 통신과의 인터뷰를 통해 유럽 진출을 위해 폭스바겐의 MEB 전기차 플랫폼을 사용하기로 제휴한 포드에 플랫폼뿐 아니라 전지 셀까지 공급할 계획이라고 밝혔다.  구체적으로는 Powerco가 생산한 전지를 포드가 유럽에서 생산하는 120만 대 분량의 전기차에 납품하겠다는 계획이다.

 

2. 폭스바겐의 전지 개발 전략

폭스바겐은 2021년 Power day에서 전지 개발 전략을 발표하였다. 발표의 핵심은 전지의 복잡성과 비용을 대폭 낮춰 최대한 많은 사람이 전기차를 매력적이고 저렴하게 이용할 수 있도록 하는 것이다.

또 한 가지 새로운 변화는 지금까지 폭스바겐의 차량 개발은 먼저 차량을 설계하고 그에 맞춰 전지를 설계했지만 앞으로는 일반적인 전기차 스타트업들이 하는 방식대로 전지를 먼저 설계하고 이를 중심으로 차량을 개발하는 방식으로 자동차 개발 패러다임을 바꾼다는 것이다.

1). 전지의 규격화: 2030년까지 같은 규격의 전지를 80% 적용

2030 년까지 규격화된 전지를 80% 적용

현재 폭스바겐은 MEB플랫폼에 파우치 및 각형 전지를 조달받아 생산하고 있으나 추후 PowerCo를 통해 생산하는 전지는 각형전지로 통일할 계획이며 하나의 사이즈로 규격화시키겠다고 발표했다. 2023년부터 차량 적용을 시작하여 2030년까지 폭스바겐생산 모델의 80%에 적용하여 가격을 낮출 계획이다.

나머지 20%는 특별한 사양이 필요한 전지로 이는 전지업체로부터 공급받을 계획이라고 밝혔다.

차량별 다양하게 적용하던 전지를 하나의 통합된 전지로 변경

2). 차량별 다른 케미스트리 적용 (엔트리모델: LFP, 볼륨모델: High 망간, 프리미엄모델: NCM)

그렇다고 모든 차량에 동일한 사양을 적용하는 것은 아니다. 전지의 사이즈와 부품은 규격화하지만 그 안에 들어가는 재료들은 차량의 종류에 따라 다르게 구성하여 차별화를 할 계획이다.

보급형 Entry모델의 경우에는 LFP양극재를 사용하여 가격을 50% 절감할 계획이다. 볼륨 모델의 경우에는 하이망간 양극재를 사용하여 가격을 30% 낮출 계획이다.

포르셰 타이칸이나 아우디 E-tron 같은 프리미엄 모델의 경우에는 에너지 밀도가 높은 NCM을 사용하고 음극에도 실리콘을 사용할 계획이다.

 

-      High 망간 양극재

가장 많은 생산 비중을 차지하는 볼륨모델의 경우 High망간을 사용하기로 결정했지만 High망간은 아직 주도적인 재료가 개발되지 못한상태이다. 폭스바겐도 Powerday에서 High망간 적용을 장기적인 전략이라고 언급을 했고 아직 구체적으로 어떤 재료를 사용할지는 확정하지 못한 상태이다.

기술 컨설팅 회사인 IDTechEx는 폭스바겐이 구체적인 하이망간 소재를 언급하지는 않았지만 LMO(리튬-망간 산화물), LNMO(리튬-니켈-망간 산화물), Li-Mn-rich(약칭 LMR-NMC), LMP(리튬망간인산염) 또는 LMFP (리튬인산철+망간) 중의 하나일 것으로 추측하고 있다.

High 망간 양극재의 종류와 성능 비교

그중에서도 LNMO가 가장 유력할 것이라고 추측하고 있다.

고전압 LNMO 스피넬(LiNi0.5Mn1.5O4)은 이론적인 비 용량(specific capacity)이 147 mAh/g에 불과해 하이니켈 NMC 또는 NCA 양극재에 비해 에너지 밀도가 떨어지는 단점이 있지만 Li/Li+ 대비 약 4.7V의 높은 작동 전압을 가지며, 또한 3차원 구조(Li 확산 경로 개선)로 인해 고출력 양극재로서의 잠재력을 가지고 있다. 무엇보다 코발트를 사용하지 않으므로 NMC나 NCA보다 가격을 낮출 수 있다. 엔트리 모델에 적용하는 LFP보다는가격이 10~12% 높지만 에너지 밀도면에서는 LFP보다 35~60% 내외로 높기때문에 볼륨모델에 사용하기에 적합하다고 판단을 한 것으로 보인다.

아직 고온에서의 사이클 수명과 안정성이 떨어진다는 문제가 있지만 향후 이 문제를 보완한다면 가장 가능성이 높은 양극재가 될 것으로 보인다. 현재 삼성 SDI와 LG에너지솔루션등이 LFP에 대항하는 활물질로 LNMO의 적용을 고려하고 있고 중국전지 업체중에서는 SVOLT가 적용계획을 발표했다.

 

-      생산계획

2023년부터 적용하기로한 규격화된 전지는 스웨덴 셸레프테오(Skelleftea)에 있는 Northvolt에서 처음 생산할 계획이다. 여기에 적용하는 전지는 프리미엄 차량을 위한 NCM케미스트리를 사용할 예정이다.

독일 잘츠기터에 세워지는 폭스바겐의 첫 번째 기가팩토리는 2025년부터 생산을 시작할 예정이고 여기서는 규격화된 셀로 볼륨모델을 위한 전지를 생산할 계획이다. 그러나 볼륨모델에 사용할 하이망간 활물질은 개발 중이므로 여기에 바로 하이망간활물질을 적용할지 아니면 NCM을 적용할지는 구체적으로 밝히지 않고 있다.

3). 비용 절감

비용절감 방안은 아래와 같이 4가지 방법으로 달성할 계획이다.

4 가지 비용 절감 방안

엔트리 모델의 가격 절감 방안

절감항목	절감비율	상세방법
전지 설계	-15%	전지 규격화
생산공정	-10%	습식코팅 à 건식코팅
양극재료	-20%	NCM àLFP 적용
전지시스템	-5%	CTM à CTP, CTC (Cell to Car)

50% 절감 목표를 가진 엔트리 모델의 경우에는 전지의 규격화 설계를 통해 15%를 절감하고 기존의 극판 코팅 공정을 기존 습식 코팅에서 건식 코팅공정으로 변경하여 10% 감소시킬 예정이다. 습식 코팅공정의 경우 용매로 사용하는 NMP나 물을 건조하기 위해 건조로가 필요한데 건식 코팅을 하게 되면 건조로가 필요 없고 NMP회수 장치를 설치할 필요가 없다. 이에 따라 설비 투자비와 공장 면적을 줄일 수 있고 NMP 등의 용매도 사용하지 않으므로 재료 비용도 줄일 수 있다.  

가장 많은 비중을 차지하는 20%의 비용 절감은 양극재료로 LFP를 적용하여 달성할 계획이다. 나머지 5%는 CTP나 CTC (Cell to Car)를 적용하여 절감할 예정이다.

건식 공정 적용시 이점

4). 전고체 전지

차세대 전지인 전고체 전지는 미국의 전고체 전지 개발 스타트업인 퀀텀스케이프 (QuantumScape)와 QS1이라는 합작회사를 설립하고 2025년 독일에 20 GWh규모의 공장을 지어 생산할 계획이었다. 그러나 현재는 퀀텀스케이프 자체 전망으로도 2025년 양산은 어렵다는 전망이 나오고 있다. 2022년 12월에 퀀텀스케이프는 24층을 적층 한 차량 탑재 사이즈의 A0샘플을 폭스바겐에 보내어 테스트를 시작했다고 밝혔으나 양산하는 데는 많은 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 2025년 생산이면 이미 공장을 짓기 시작해야 하지만 아직 양산을 위한 공장 착공의 소식은 들려오지 않고 있다. 

Quantumscape 가 2022년 12월에 발표한 24layer A0샘플

5). 재활용

폭스바겐은 습식 제련(Hydrometallurgy) 방법을 통해 원재료의 95%를 재활용할 계획을 세우고 있다. 2021년 1월에 잘츠기터에 재활용 공장을 완공하고 현재 가동 중이다. 재활용을 통해 차량 1대당 1톤의 CO2를 줄일 수 있고 재활용된 활물질의 사용으로 재료 가격 변동의 영향을 적게 받게 되어 전지의 가격을 감소시킬 수 있다. 

전지팩의 소재 비율 (좌), 폭스바겐의 재활용공장 (우)

6). 밸류체인의 통합

전지는 재료비가 차지하는 원가비중이 높을 뿐 아니라 대량생산을 위해서는 원활한 원재료 확보가 필요하다. 특히 양극활물질의 원가 비중이 가장 높고 이로 인해 전지 가격의 변동이 크기 때문에 양극 활물질의 조달을 위해 사업 영역을 확장하고 있다.

폭스바겐은 2022년 9월 PowerCo와 양극 활물질 제조업체인 Umicore와 전구체를 포함한 양극재를 제조하는 합작법인을 설립하였다. 이 합작법인을 통해 총 30억 유로를 투자하여 공장을 세울 계획이다. 2025년에는 40 GWh(양극재 기준 6 만 톤)의 생산능력을 확보한 후 2030년에는 160 GWh까지 확보할 것을 목표로 하고 있다. 또한 해당 합작법인을 통해 메탈정제와 전지 리사이클링까지 사업영역을 확장할 계획이다.

 

PowerCo의 양극재 합작법인 개요

지분구조	PowerCo 50%, Umicore 50%
투자규모	30억유로
사업영역	전구체 및 양극재
생산능력	2025년 40GWh (약 6 만톤) 2030년 160GWh (약 24 만톤)
향후계획	메탈정제 및 재활용 사업 확장 계획

양극 활물질만 신경 쓰는 것이 아니라 원재료인 리튬의 조달을 위해서도 신경 쓰고 있다. 이를 위해 2019년에는 중국 간펑리튬과 2030년까지 2200만 대 분량의 전기차에 사용될 리튬을 공급하기로 장기 계약을 체결했다.

PowerCo 의 전지 원소재 조달 전략

 

 

출처: Volkswagen Group Presentation (2021.03.15)