최근 몇 년간 전 세계적으로 전기차 시장이 급속히 성장하면서 고성능 배터리에 대한 수요도 기하급수적으로 증가하고 있다. 이러한 현상은 미국 배터리 산업에도 영향을 미쳤으며, 특히 전기차용 배터리 생산의 현지화가 눈부신 진전을 보였다. 코로나19 팬데믹 기간에 점진적으로 시작된 이 흐름은 이제 전기차 전환을 위한 핵심 동력으로 자리 잡았다. 2019년만 하더라도 미국 내에서는 단 두 개의 배터리 생산 공장만이 운영 중이었고 추가적으로 두 개의 공장만이 건설 중이었다. 그러나 2023년 8월 기준, 투자가 확정된 프로젝트를 포함해 건설 중이거나 이미 가동 중인 배터리 공장의 수는 약 30개로 증가했다. 이는 지난 몇 년간 미국 내 배터리 산업이 얼마나 빠른 속도로 확장돼 왔는지를 시사한다.

<북미에 건설 예정 또는 진행 중인 배터리 기가팩토리(Gigafactories)>

주: Version 5. 2023년 9월 업데이트

[자료: CIC energiGUNE]

특히, 2022년 8월 16일에 서명된 인플레이션감축법(IRA)은 미국 내 배터리 생산 공장의 현지화를 가속화하는 데 중추적인 역할을 했다. 이 법안을 통해 완성차 제조사와 배터리 제조사들은 미국 내에서 셀 및 모듈 생산 프로젝트에 거의 1000억 달러를 투자했으며 2030년까지 연간 1200GWh 이상의 생산 용량을 목표로 설정했다. 현재 발표된 대부분의 배터리 공장 프로젝트는 2025년에서 2030년 사이에 생산을 시작할 예정이다. 이에 따라, 2021년 연 55GWh 수준에 머물던 북미 배터리 생산 용량은 2030년에 약 1000GWh까지 증가할 것으로 예상된다.

미국의 배터리 산업은 지속적인 성장세를 유지하고 있지만, 이 과정에서 숙련된 인력 부족과 임금 상승이라는 주요 장애물에 직면해 있다. 이러한 문제는 제조업 확장을 제한하는 주된 요소로 작용하며, 핵심 광물 확보의 중요성과 맞먹는 영향력을 발휘한다. 이에 따라, 업계는 자동화와 스마트 제조 기술의 도입을 통해 이러한 도전들에 대응하고 있다.

불확실성을 극복하며 추진해야만 하는 미국의 배터리 제조업

불확실성을 극복하고 추진력을 유지하는 것은 미국 배터리 제조업의 중요한 과제이다. 코로나19 팬데믹 이전, 주요 글로벌 제조업체들은 주로 인건비 절감을 위해 동남아시아 등 인건비가 낮은 지역에 생산 기지를 구축했다. 그러나 팬데믹 기간 중 경험한 물류 중단과 항구 통제는 공급망의 취약점을 드러냈으며, 미국 내 제조업의 생산 능력 강화의 중요성을 강조하는데 크게 기여했다. 이에 대응해 미국의 제조업체들은 해외에 위치한 생산 시설을 미국 현지로 되돌리는 리쇼어링(Reshoring)과 지리적으로 더 가까운 국가로 이전하는 니어쇼어링(Nearshoring) 전략을 적극적으로 추진하고 있다.

<2010~2022년까지 리쇼어링과 FDI* 통해 생성된 일자리 수>

(단위: 개)

주: 외국인직접투자(FDI)는 외국 기업이 미국 내 투자를 확대함으로써 미국 내에 창출된 일자리 수

[자료: Reshoring Initiative]

미국의 반도체법(CHIPS Act)과 인플레이션감축법(IRA) 같은 정책 이니셔티브는 내수 제조업 강화를 위해 도입됐고 제조업의 성장에 강력한 동력을 제공하고 있다. 하지만, 인플레이션, 경제적 불확실성, 숙련된 인력 부족과 같은 요소들은 여전히 미국 제조업의 발전을 어렵게 만드는 과제로 남아있다. 특히, 2023년 전미자동차노조(UAW)의 파업과 임금 협상은 자동차 제조업 전반의 운영 비용 증가를 초래했다.

이 같은 도전적인 상황에서도 미국 내 배터리 제조업체들은 스마트 제조 기술의 도입을 통해 현재의 문제에 대응하고 있다. 자동화, 로봇공학 인공지능(AI), 머신 러닝, 사물인터넷(IoT), 빅데이터의 통합으로 생산 비용을 최적화하고 공정의 효율성을 극대화해 장기적인 산업 경쟁력을 강화하고 있다. 이러한 기술 혁신은 미국 배터리 제조업의 미래 지향적 변화를 주도하며, 새로운 글로벌 경제 질서에서 핵심적인 역할을 수행하도록 지원하고 있다.

‘스마트팩토리(Smart Factory)’, 배터리 기술 못지않게 중요하다. 왜?

공장의 자동화는 제조 공정을 가속화하고 인력 부족 문제를 해결하는데 핵심적인 역할을 해왔다. 그리고 이제는 단순한 자동화를 넘어서 인공지능(AI) 기반의 의사결정 시스템이 공장의 효율성을 극대화하고 제품의 불량률을 줄이는데 핵심적인 기능을 수행한다. 이러한 첨단 기술의 통합은 스마트팩토리의 핵심으로, 제조업의 미래를 재정의하고 있다.

‘스마트팩토리(Smart Factory)’는 디지털화된 자동화 기술을 활용해 제품 설계부터 개발, 제조, 유통에 이르는 전 과정에서 효율성과 품질을 향상시킨다. 미국의 전기차 배터리 셀 제조업에서 근무하는 G씨는 스마트팩토리 기술의 중요성을 강조하며, "현재 배터리 생산에서 스마트팩토리의 역할은 배터리 기술만큼이나 중요하다"고 말했다. 스마트팩토리의 첨단 기술이 제조 과정의 효율성과 품질 향상에 필수적이며 특히 배터리 제조의 복잡성과 정밀성을 고려할 때, 이 기술들이 혁신을 촉진하고 경쟁력을 강화하는 데 크게 기여하고 있다고 강조했다.

<리튬이온 배터리 제조 개요>

[자료: Battery Inside, Cognex, 디트로이트 무역관 정리]

배터리는 '전기차의 심장'으로 불리며, 전기차 기술의 핵심 요소이다. 제한된 공간 내에서 최적의 성능을 발휘하기 위해 높은 에너지 밀도는 필수적이다. 또한, 배터리는 차량 운행 중 겪을 수 있는 다양한 충격과 극한의 온도 조건에서도 안정성과 내구성을 유지해야 한다. 단일 배터리 셀에서 발생할 수 있는 문제는 전체 배터리 팩의 성능 저하를 일으킬 수 있으며, 이는 전기차의 안전성과 신뢰성에 심각한 위험을 초래할 수 있다.

2021년 GM은 배터리 셀의 제조 결함으로 인한 화재 위험 때문에 2017년부터 2019년 사이에 제조된 볼트 차량 6만9000대를 리콜했다. 2022년 4월에는 유사한 문제로 2020년부터 2022년 사이에 제조된 볼트 EV와 2022년형 볼트 EUV 차량 7만3000여 대를 추가로 리콜했으며, 이로 인한 추정 영업 손실은 약 10억 달러에 달한다. 2023년에는 BMW가 배터리 소프트웨어의 오작동으로 전력 손실 및 충돌 위험을 증가시킬 수 있다며 1만 4000대 이상의 전기차를 리콜했다. 같은 해, Ford 또한 배터리 관련 화재 위험으로 인해 포드 F-150 라이트닝의 생산을 일시 중단했다. 이러한 사례들은 기업의 재정적 손실뿐만 아니라 브랜드 이미지와 전기차 산업에 대한 신뢰성에도 부정적인 영향을 끼쳤다.

인력만으로는 불가능한 배터리 품질 개선, 스마트팩토리가 답이 되다.

주요 배터리 제조업체들이 자동화 기술과 스마트 팩토리 구축에 사활을 건 이유는 분명하다. 배터리 제조 과정은 매우 복잡하며 각 단계에서 발생 가능한 결함을 완벽하게 제거하는 것은 인력만으로는 해결할 수 없는 과제다. 특히 대량 생산 환경에서는 인간의 능력을 뛰어넘는 수준의 품질 관리가 요구된다.

<전기차 배터리 구성: 셀, 모듈, 팩>

[자료: Vox]

JIT-IBS의 공동 대표인 James씨는 KOTRA 디트로이트 무역관과의 인터뷰에서 "대부분의 전기차는 하나의 배터리 팩을 사용하며, 이는 차량의 설계와 셀 형식에 따라 차이가 있지만 일반적으로 여러 개의 모듈로 구성돼 있다. 모듈 하나에는 또 여러 개의 배터리 셀이 필요하며, 전기차 한 대를 생산하기 위해 필요한 배터리 셀 숫자는 수백 개에 이른다. 이러한 수요에 대응하기 위해서는 연간 30GWh의 배터리를 생산하는 공장이 공장을 일년 내내 매일 24시간 풀가동시키고 하루에 대략 20만 개의 배터리 셀을 생산해야 한다"고 설명했다. "이러한 대량 생산이 요구되는 환경에서 AI 프로그램을 활용한 스마트팩토리는 배터리의 생산성과 품질을 향상시키는데 중요한 역할을 하고 있으며, 선택의 여지 없이 필수적인 요소가 됐다"고 덧붙였다.

시사점

배터리 산업은 원자재 확보, 고비용 및 생산 효율성, 숙련된 인력 부족 그리고 폐배터리 처리와 같은 다양한 도전에 직면해 있다. 완성차 기업들의 전기차 전환 속도 조절이 이 산업의 성장과 기술 혁신에 미칠 수 있는 부정적 영향에 대한 우려도 존재한다. 이러한 복잡한 환경에서, 스마트팩토리는 공장 가동률을 높이면서도 불량률을 최소화하는데 필수적인 해결책으로 부상하고 있다. 전문가들은 배터리 제조 공정의 복잡성을 감안할 때 스마트팩토리 도입이 ‘큰 도전이지만 반드시 수행해야 하는 필수적인 과제’라고 강조한다.

스마트팩토리 기술은 제조업의 모든 단계를 실시간으로 모니터링하고 최적화하며, 이는 생산 과정에서 발생할 수 있는 오류를 최소화하고 전체적인 생산 효율을 극대화하는데 중요하다. 특히, 배터리 제조 같은 고도로 정밀한 분야에서 스마트팩토리 기술은 제품의 일관된 품질을 유지하고 생산 비용을 절감하며, 시장 출시 시간을 단축하는데 결정적인 역할을 한다. 따라서 현재 배터리 생산에서 스마트팩토리의 역할은 배터리 기술만큼이나 중요하며, 이는 제조 과정의 효율성과 제품 품질을 혁신적으로 향상시키는데 필수적이다.

그러나 스마트팩토리가 배터리 제조에 있어 필수적인 전환점으로 자리 잡고 있음에도 이 변화 또한 새로운 도전 과제를 동반한다. 디지털전환(DX) 기술인 인공지능(AI), 머신 러닝, 빅데이터 분석을 활용한 스마트팩토리는 생산 최적화와 품질 관리의 자동화를 가능하게 하지만, 기술 복잡성의 증가는 유지보수와 운영에 대한 어려움을 초래할 수 있다. 또한, 이는 전문 인력 필요성 증가 그리고 데이터 보안 우려와 같은 여러 도전을 제기한다. 특히, 데이터 보안은 스마트팩토리가 성공적으로 기능하기 위한 중요한 요소로, 이에 대한 철저한 준비가 요구된다.

기술 도입의 경제적 측면도 중요한 고려 사항이다. 초기 투자 비용, 변화하는 기술 환경에 따른 예상치 못한 추가 비용 그리고 투자 회수 기간의 불확실성은 기업에 중대한 고려사항이다. 스마트팩토리 기술이 배터리 제조 산업의 미래에 큰 영향을 미칠 것은 분명하지만, 이러한 기술 변화를 어떻게 효과적으로 수용하고 활용할 지가 산업의 미래 경쟁력을 좌우하는 결정적인 요소가 될 것이다.

자료: CIC energiGUNE, Reshoring Initiative, Battery Inside, Cognex, GM, BMW, Ford, Vox, Industrynews, Laserax, Eletrek, KOTRA 디트로이트 무역관 자료 종합