최근 중국이 오는 12월부터 자국내 흑연 수출을 통제할 것이라고 발표했다. 중국 상무부의 허가 없이는 해당 품목의 흑연을 수출할 수 없다는 것이 주요 골자이다. 흑연은 오랫동안 저렴하고 흔한 광물로 여겨져 미국에서는 수십 년 동안 흑연을 채굴하지 않고 전량 수입해 오고 있었다. 하지만 흑연이 최근 전기차 배터리의 충전식 셀을 만드는 데 필요한 핵심 물질로 부상해, 공급에 차질이 생길 경우 이는 미국 전기차 시장 공급망에 위협이 될 수 있다. 특히, 미국에 진출한 우리 배터리 기업들의 원료 조달에도 어려움을 초래할 수 있어 높은 관심이 집중되고 있다.

흑연에 대한 중국 의존도 탈피를 위한 노력

미국지질조사국(USGS, United States Geological Survey)의 2023년 광물 상품 요약 보고서(Mineral Commodity Summaries)에 의하면 2021년 세계 흑연 생산량 113만 톤 가운데 82만 톤(73%)이 중국에서 생산됐으며, 2022년 추정치에서도 중국은 전체 채굴량 130만 톤 가운데 65.4%인 85만 톤을 생산한 것으로 나타났다.

< 전세계 천연흑연 생산량 및 매장량 >

(단위: 천 톤)

［자료: 미국 지질 조사국］

미국의 천연 흑연 수입량은 2019년과 2020년에 각각 29%와 28%만큼 감소하는 추세였으나, 리튬 이온 배터리 산업의 수요가 증가함에 따라 2021년에는 48%, 2022년에는 55%나 증가했다. 주요 수입국은 중국(33%), 멕시코(18%), 마다가스카르(10%) 등이다 (자료: USGS). 이처럼 흑연 수입에 있어 중국 의존도가 높은 상황에서 중국의 수출통제가 발표되자 미국에서는 흑연 공급망 다변화를 위한 노력이 절실해졌다. 미정부는 호주와 같은 우방국과 흑연을 비롯한 핵심 광물 공급망 확보를 위한 협력을 강화하는 한편, 대체 공급선으로 아프리카와의 광물 파트너십을 체결하는 등 정부와 민간업체 모두 중국 이외의 공급망 확보에 애쓰고 있다.

미국은 이처럼 수입경로를 다각화해 공급망을 확보하는 노력과 더불어 미국 내 흑연 채굴과 광물 정제소 및 제조 공장 건설 등도 추진하고 있다. 바이든 정부는 국방 물자생산 법령(Defense Production Act)을 통해서 흑연 및 기타 광물에 대한 탐사에 수백만 달러를 확보했으며, 공장 설립을 위한 자금을 지원한다. 현재 미국에서 흑연 채굴의 잠재력을 가지고 있는 광산은 앨라배마주 Coosa 카운티에 위치한 흑연 벨트 지역과 알래스카 중부 해안의 툰드라 지대 두곳이다.

앨라배마 흑연 벨트 (Alabama Graphite Belt) 광산 개발은 4만 2,000에이커에 달하는 지대에서 2028년 흑연 채굴을 목표로 작업중인 프로젝트이다. 이곳은 1950년까지 미국 흑연 생산의 본거지로 활발하게 채굴이 이루어졌으나, 저렴한 가격의 흑연 수입이 가능해진 이후 작업이 중단됐다. 프로젝트를 수행하고 있는 Westwater Resource 사에 따르면, 인근 Chilton 카운티에 위치한 BAMA 광산에도 흑연 매장량이 있으며 전력, 수도, 도로, 철도 등 우수한 인프라가 이미 구축된 것으로 확인됐다. Westwater Resource 사는 흑연 채굴 프로젝트 이외에도 Coosa 카운티 북동쪽에 위치한 Kellyton에 흑연 정제 공장 건설을 올해 5월 완료했다. 현재 생산을 위한 시설들을 설치하는 중이다.

< 미국의 흑연 채굴 광산 프로젝트 >

［자료: Westwater Resources, Graphite One 홈페이지］

Graphite One 기업이 개발 중인 알래스카의 Graphite Creek 프로젝트는 미 국방부(Department of Defense)로부터 3,750만 달러를 지원받았다. 지원금은 개발 타당성 조사 및 생산시설 건설을 위해 사용될 전망이다. Graphite Creek은 미국 최대 흑연 매장지로써 흑연 공급망 문제를 해결하는 데 큰 역할을 할 것으로 주목 받고 있지만 대규모 도로망부터 건설해야 하므로 장기적인 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 이 프로젝트는 흑연 채굴 외에도 채굴된 광석을 처리하는 공장을 워싱턴 주에 건설해 공급망 완전체를 구축할 계획이다. 첨단 소재 및 배터리 음극을 제조하는 공장과 함께 흑연 및 기타 배터리 재료를 재생하는 재활용 시설도 워싱턴 공장부지에 함께 건설된다.

흑연 및 주요 광물 대체 소재를 활용한 배터리 개발 프로젝트

전기차 배터리는 캐소드 (Cathod:전지 방전 시에는 양극, 충전 시에는 음극), 애노드 (Anode: 전지 방전 시에는 음극, 충전 시에는 양극), 전해액(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 구성되는데, 흑연은 이 가운데 애노드 제조에 필요한 핵심 소재이다. 광물 데이터 회사인 Benchmark Mineral Intelligence에 의하면, 현재 약 70개 이상의 흑연 광산이 전 세계에 운영되고 있으나 기하급수적으로 늘어나는 전기 자동차 수요 때문에 향후 몇 년 동안 약 100개의 광산이 추가로 문을 열어야 자동차 제조업체가 요구하는 수요를 맞출 수 있다고 언급했다.

미 에너지부(DOE, Department of Energy)는 지난 11월 15일, 배터리 및 배터리 소재의 현지 생산 강화를 위해 35억 달러를 지원한다고 발표했다. 여기에는 흑연 대신 실리콘 활용을 장려하는 내용도 포함되는 등 대체 소재를 활용한 배터리 개발에 적극적인 지원이 예상된다. 이에 앞서, 에너지부는 올해 초에도 첨단 배터리의 미국 내 공급망 강화를 위한 12개의 프로젝트에 4,200만 달러를 지원했다. 여기에는 흑연을 대체하는 소재를 활용한 프로젝트들도 포함됐다. 

(1)  Ampcera – 흑연 무함유 실리콘-애노드 배터리 개발

실리콘은 에너지 저장 용량이 크기 때문에 흑연보다 10배 많은 리튬 이온을 보유할 수 있다. 또한, 수명이 길고, 매장량이 풍부해서 흑연 대체 소재로 주목받고 있다. 그러한 가운데, 캘리포니아에 소재하고 있는 Ampcera는 최근 자사에서 개발 중인 고체상태 실리콘-애노드 배터리가 5,000회 충전 주기를 달성했다고 발표했다. 이 업체는 15분 만에 80%를 충전하는 고속 충전 능력을 내년까지 달성할 것으로 목표로, 고밀도 고용량 고속 충전 배터리 개발을 진행중이다. 해당 프로젝트는 올해 초 고체 상태의 실리콘 애노드 기술에 대한 추가 연구를 위해서 에너지부 (DOE) 보조금 210만 달러를 지원받았으며,  이 배터리가 생산되면 해외 공급망과의 복잡한 문제에도 불구하고 흑연에 대한 공급을 강화할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

(2)  24M Technology – 애노드가 없는 나트륨 금속배터리 개발

고체 전해질로 구현되는 저비용 고용량 고속 충전 성능의 나트륨 금속(Sodium-Metal) 배터리를 개발하고 있는 이 업체는 코발트와 니켈을 사용하지 않는 나트륨 기반 활성 물질로 구성된 초박형 반고체 캐소드 (ultra-thick SemiSolid cathode made up of advanced cobalt-free, nickel-free sodium cathode active materials)와 고체 전해질을 기반으로 분리막을 통합해 애노드가 없는 배터리를 가능케 하고자 한다. 상대적으로 전도성이 높고 기계적 강도가 높은 나트륨을 활용하기 때문에 저온에서도 배터리 성능을 유지할 수 있으며, 빠른 충전이 가능하고 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있다. 특히, 애노드 없이 배터리를 구성하게 되면 애노드 셀 제조에 필요한 장비들도 필요하지 않아 배터리 비용 절감에도 도움을 줄 것으로 예상된다. 해당 프로젝트는 올해 초 에너지부(DOE)로부터 320만 달러를 지원받았으며 매사추세츠 공과대학 및 카네기 멜로 대학연구팀과도 협력해 개발중이다.

(3)  Zeta Energy – 코발트, 니켈, 망간, 흑연 무사용 리튬 배터리 개발

이 프로젝트는 리튬과 탄소, 황을 기반으로 하는 배터리를 만드는 것으로 빠른 충전 속도 구현을 목표로 한다. 전기차 배터리 제조의 5대 핵심 광물 (리튬, 코발트, 니켈, 망간, 흑연) 가운데, 미국에서 흑연과 망간은 100% 수입에 의존하고 있으며 코발트는 76% 이상을 수입에 의존하고 있다. 상대적으로 미국의 리튬 수입의존도는 25% 정도로 낮은 편이며 미국내 매장량도 다른 핵심광물에 비해 많은 편익다. 따라서 수입의존도가 높은 코발트, 망간, 흑연을 사용하는 대신에 리튬 함량이 높은 새로운 애노드 개발은 향후 공급망 위험에 대안이 될 수 있을 것으로 전망된다. 해당 업체는 고밀도 고용량 배터리 개발을 위해서 에너지부(DOE)로부터 400만 달러의 지원금을 받았다.

< 미 에너지부 선정 12개 첨단 전기차 배터리 프로젝트 >

［자료: 미 에너지부 자료, KOTRA 애틀랜타 무역관 정리］

시사점

매장량과 생산량이 제한적인 핵심 광물에 대한 공급망 리스크는 이번 중국의 흑연 수출 제한 조치뿐만 아니라 향후 다른 주요 핵심 광물에 대해서도 언제든 발생할 수 있다. 따라서 미국내에서는 중국을 비롯한 특정 국가에 대한 공급망 의존도를 줄이는 방안이 필요하다는 의견이 대두되고 있다. 전세계 주요 전기차 업체들은  새로운 소재의 전기차 배터리로의 전환에 발빠르게 움직이고 있다. 테슬라는 2020년 부터 코발트 없는 배터리 사용을 추진해왔고, 2022년 1분기에는 전체 생산의 절반에 해당되는 차량에 니켈과 코발트가 없는 배터리를 장착한 것으로 나타났다. 중국의 전기차 제조업체 BYD도 리튬보다 저렴하고 풍부한 나트륨에 주목해 최근 14억 달러 규모의 나트륨 이온 배터리 공장을 건설하는 계약을 체결했다. 전기차 업체의 혁신 배터리로의 전환 움직임을 우리 배터리 기업들은 주목할 필요가 있다.

이차전지는 한국의 주요 수출 품목 가운데 하나로, 배터리 제조에 필요한 핵심 광물의 공급망은 우리 기업에도 매우 주요한 이슈이다. 특히, 미국에 진출한 다수의 전기차 및 배터리 관련 우리 기업들은 미중 경쟁으로 인한 공급망 변화에 주목하고 발빠른 대처가 필요하다. 또한 현 IRA법안에 따르면 2028년까지 전기차 배터리에는 중국산 광물이 전혀 사용되지 않아야 하기 때문에,  중국이외 국가에서의 공급망 발굴 및 차세대 배터리 개발을 위한 신기술 투자를 통한 공급망 다각화에 대한 노력이 필요한 시점이다. 

자료: Benchmark Mineral Intelligence, Department of Energy, EVs4ALL, Fortune, GreenWire, United States Geological Survey, KOTRA 애틀랜타 무역관 자료 종합