배터리 전쟁 (feat 테슬라)

 

 

이번 글은 좀 어렵게 작성된 듯함. 앞 부분은 이해를 돕기 위해 전에 쓴 글 중복 있음.

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1. 배터리는 4가지 소재로 보통 만들어짐.

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2. 양극재, 음극재, 분리막, 전해액임.

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3. 항상 문제가 되는 것은 양극재임.

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4. 음극재는 보통 흑연을 쓰고, 분리막이나 전해액도 소재가 흔한 것이라 큰 문제가 없지만, 양극재는 그렇지 않음. ​

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5. 배터리 시장은 양극재로 인산철을 쓰는 중국과 3원계를 쓰는 한국이 세계 투톱임.

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6. 중국이 생산하는 주력 배터리는 양극재로 인산철을 쓰는 인산철 배터리임.

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7. 세계 인산철 배터리의 95%가 중국에서 나옴.

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8. 인산철 배터리는 배터리 약발이 빨리 닳는 단점이 있지만, 인산철의 인과 철이 싼 재료라서 원가가 싸고, 에너지밀도가 낮아서 불이 잘 나지 않음.

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9. 한국이 생산하는 배터리는 3원계 배터리임.

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10. 리튬을 기본으로 해서, 양극재로 니켈, 코발트, 망간을 보통 60%, 20%, 20% 섞어 만들어서 3가지가 섞여 있다고 3원계 배터리라고 부름.

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11. 비싼 재료가 많이 쓰여 원가가 높고, 에너지밀도가 높아서 불이 잘 나지만, 배터리 약발이 좋아 오래가는 장점이 있음.

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12. 전 세계 금속들의 연간 생산량을 보면, 철은 21억 톤, 망간 8천만 톤으로 넉넉하게 나오고 있음.

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14. 문제는 3원계에서 많이 사용하는 니켈, 리튬과 코발트임.

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15. 니켈은 전세계에서 연간 200만 톤이 생산되고, 리튬은 43만 톤, 코발트는 14만 톤 수준임.

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16. 니켈은 주요 수출국인 러시아가 우크라이나를 침공하는 등으로 공급에 문제가 발생하고 있지만, 시간이 가면 해결이 가능한 수준임.

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17. 코발트는 비싸고, 희귀하고, 코발트 자원 보유 국가인 콩고가 내전 등으로 불안정한데다, 중국의 영향력이 커서 문제가 됨.

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18. 코발트는 전 세계 매장량의 60%가 콩고에 몰려있고 현재 생산되는 코발트는 대부분 콩고산임.

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19. 중국이 철도, 도로 등 인프라 투자를 해주며 콩고의 코발트 광산을 장악함.

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20. 중국이 장악한 코발트 광산을 통해 콩고가 생산하는 코발트의 90%가 중국으로 들어가 배터리의 재료가 되고 있음.

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21. 코발트는 중국이 생산 경로를 장악해버린 게 국가 간 자원전쟁을 하는 시대에는 민감한 문제가 됨.

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22. 리튬은 중장기적인 공급 부족 이슈가 있음.

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23. 지금까지는 휴대폰에 주로 리튬이 들어갔는데, 휴대폰 1대당 6g 정도의 리튬이 들어가는 정도라, 1억 대의 휴대폰을 만들어도 600톤의 리튬이면 생산이 가능했음.

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24. 전기차는 다름.

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25. 테슬라의 모델 S를 예로 들면, 1대당 60kg의 리튬이 들어감.

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26. 테슬라가 100만 대의 전기차를 만들면 6만 톤의 리튬이 필요하고, 테슬라의 2030년 판매 목표인 2천만 대를 만들려면 120만 톤 리튬이 필요한 것임.

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27. 전 세계에서 연간 생산되는 리튬이 43만 톤인데, 현재 방식으로 생산을 하면, 테슬라만 해도 2030년에 120만 톤의 리튬이 필요하다는 말임.

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28. 리튬이 많이 필요하다면, 바닷물에도 리튬이 들어있다고 하니 그걸 뽑아서 쓰던지, 리튬 광산을 좀 더 개발하면 되는 거 아냐?라고 생각할 수 있음.

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29. 그게 쉽지가 않음.

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30. 현재 전 세계 리튬의 70%는 칠레, 볼리비아, 아르헨티나의 짠물호수인 염호에서 생산됨.

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31. 바닷물보다 만 배 가까이 리튬 함유량이 높은 호수들임.

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32. 바닷물보다 만 배 가까이 리튬 함량이 높아 경제성이 있는 염호라고 해도, 이 호수물을 퍼올리면 1,000ppm 그러니깐 호수 물의 0.1% 정도에 리튬이 들어있는 수준임.

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33. 염호의 리튬 함유량이 이 정도인데, 염호의 만 분의 1 수준이 들어있는 바닷물은 경제성 있게 리튬을 생산할 수준이 안됨.

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34. 염호에서 뽑아올린 리튬을 넓은 노지에서 1년에서 2년간 증발시켜 4%~6% 정도로 농축을 한 후 공장으로 보냄.

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35. 노지에서 2년씩 증발을 시킨다는 것은 비가 거의 안 와야 한다는 말임.

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36. 리튬 함유량이 풍부한 염호가 있고, 비까지 거의 안 오는 지역이라야 리튬을 경제성 있게 생산할 수 있다는 것임.

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37. 칠레, 볼리비아, 아르헨티나에서 전 세계 리튬의 대부분이 생산되는 것도, 이 세 나라가 겹치는 삼각형 지역에 리튬이 풍부한 염호가 있고, 비도 거의 안 오는 지역이라 세계 리튬의 대부분이 이곳에서 생산되는 것임.

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38. 리튬을 노지에서 증발시키는 게 아니라 공장을 지어서 추출하면 되는 게 아닌가? 하는 질문도 있을 수 있음.

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39. 공장 건설 비용 등 경제성도 문제지만, 리튬을 추출하는 과정에서 투입되는 화학물질로 환경 오염이 발생되는 폐기물이 나와 현재는 자연 증발이 주류가 됨.

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40. 리튬 공급을 쉽게 늘리기 어려운 이유임.

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41. 지금까지 전기차 경쟁은 1회 충전 주행거리 경쟁이었음.

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42. 1회 충전 주행거리 100킬로대를 깔짝 거리고 있던 때, 테슬라가 1회 충전 400킬로대 전기차를 뽑아내면서 앞서가며 그렇게 됨.

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43. 전기차 충전소가 많지 않아 1회 충전 주행거리가 경쟁력의 가장 큰 요소가 되던 시절이라, 전기차 시장은 한국이 만드는 3원 계 배터리가 중국 인산철 배터리를 압살할 수 있었음.

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44. 그런데, 3원 계 배터리의 문제 중 하나가 불이 잘 나는 것이었음.

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45. 이 부분을 해결하기 위해, 3원 계 배터리는 셀을 모듈로 감싼 다음 몇 개의 모듈을 모아서 팩을 만드는 방식으로 안전성을 확보함.

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46. 포장을 이중으로 해서 충격으로부터 보호를 했다는 말임.

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47. 복잡한 방식이다 보니 기술력이 필요했고, 중국이 쉽게 따라올 수 없는 경쟁력을 확보함.

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48, 그런데, 테슬라가 충격적인 발표를 함.

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49. 테슬라 전기차 일반형에 지금까지 쓰던 3원계 배터리가 아닌 인산철 배터리를 쓰겠다는 발표였음.

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50. 엘지화학 등 한국 3원계 배터리 제조사들과 협력사들이 이 발표에 휘청함.

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51. 테슬라가 2030년에 2천만 대 판매 목표를 달성하려면, 현재 리튬이나 코발트의 공급 수준으로는 힘들겠다는 판단을 한듯함.

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52. 반면에 인산철의 주원료인 철은 연간 21억 톤이 생산되고, 인도 넉넉하게 나와 공급의 문제는 없는 것임.

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53. 인산철 배터리에 셀 투 팩 기술이 개발된 것도 주요 원인이 됨

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54. 인산철 배터리는 3원계 배터리의 70% 정도 성능밖에 안 나와서 주행거리가 짧은 게 한계였음.

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55. 셀 투 팩이 해결책이 됨.

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56. 3원계 배터리는 안전성 확보 때문에 셀을 모듈로 감싸고, 모듈을 다시 팩으로 감싸는 이중포장을 했는데, 셀 투 팩은 모듈을 없애버림.

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57. 모듈이 없어지고, 셀을 바로 팩에 포장을 해버리니, 모듈이 들어가는 공간에 셀을 더 넣을 수가 있게 됨.

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58. 성능 차이를 기능 개선으로 극복하는 게 아니라, 더 많은 배터리를 때려 넣어서 1회 주행거리를 3원 계 수준으로 맞춰버린 것임.

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59. 모듈이 없어 이중포장이 안된다고 하더라도, 인산철 배터리 자체가 불이 잘 안 나다 보니 위험하지는 않다는 판단이 들어간 것임.

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60. 코나와 미국 GM에 들어간 LG에너지솔루션의 3원계 배터리에 화재가 나서 전량 리콜이 들어간 점도 이슈를 키움.

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61. 인산철은 불이 잘 안 나는 데다, 셀 투 팩을 하면 주행거리도 3원 계만큼 나오고, 가격도 싼 데다 물량이 늘어도 공급 이슈가 적어 보이니, 갑자기 인산철이 좋아 보이기 시작한 것임.

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62. 테슬라는 인산철 배터리를 장착하는 경우 8% 정도 가격을 낮게 책정한 점등이 먹혀들어서, 테슬라가 판매하는 전체 판매차량의 절반 가까이에 인산철 배터리가 들어가고 있음.

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63. 다만, 인산철 배터리는 특허 부분이 중국의 발목을 잡고 있음.

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64. 중국 BYD는 모듈을 없앤 셀 투 팩을 개발해서 1회 충전 605킬로 주행을 만듦.

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65. 인산 철 배터리 관련 특허는 노벨화학 상을 수상한 미국 굿이너프 교수가 가지고 있었는데, 배터리 양산을 BYD에 맡긴 후 BYD가 자체 개발을 했다고 발표를 하였고, 굿이너프 교수는 내 특허를 훔쳐서 만든 것이라고 특허 소송에 들어감.

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66. 결국 인산철 배터리는 중국 내에 돌아다니는 전기차에는 쓰고 있지만, 특허 문제 때문에 수출을 할 수 없는 상태가 됨.

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67. 올해 말이면 해당 특허가 대부분 효력이 만료되는 게 문제임.

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68. 올해 말 특허 만료로 중국 인산철 배터리의 수출 봉인이 해제되면 세계 배터리 시장을 석권하는 게 아니냐는 의문이 나올 즈음 크고 뚱뚱한 원통형 삼원계 배터리가 뜨기 시작함.

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69. ​4680 원통형 배터리임.

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70. 2020년 9월 22일, 테슬라가 배터리 데이에서 4680을 발표하기 전에 대략 어떤 배터리가 나올 것이라는 정보를 가지고 있었음.

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71. 그래서 배터리 데이 며칠 전 다음과 같은 답글을 달기도 함.

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72. 내 예상대로 발표가 나옴. 뚱뚱한 원통형 배터리.

 

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73. 테슬라는 기존 모델 S와 모델 X에는 18650 원통형 배터리를 사용했음

 

 

74. 최근 출시한 모델 3와 모델 Y는 21700 원통형으로 바꿈

 

 

75. 18650는 지름 18미리에 길이 65미리라는 말이고, 21700은 지름 21미리에 길이 70미리라는 말임

 

 

 

 

 

76. 조금 굵어지고 길어진 배터리로 바꿨다는 것임

 

 

77. 21700은 18650보다 크기가 커지면서 배터리 개수를 줄일 수 있을 뿐 아니라 개수가 줄어드니 관리도 쉬워진 것임

 

 

78. 배터리 데이 때 만들겠다고 한 것은 4680임

 

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79. 21700보다 두 배 이상 두꺼워진 뚱뚱한 배터리였음.

 

 

80. 원통형 배터리는 얇은 호일을 돌돌 말아서 원통형 모양을 만듦.

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81. 18650는 60cm 길이의 호일이 말려서 원통이 되었고, 21700은 18650보다 두꺼워진 만큼 호일 길이가 80cm로 늘어남.

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82. 4680은 많이 뚱뚱해서 호일 길이가 385cm까지 나옴.

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83. 원통형 배터리는 두루마리 화장지를 말듯이 호일을 말아야 하는데, 호일의 양쪽 끝에 양극과 음극 탭을 달게 됨.

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84. 전자가 꼬불꼬불 말려있는 호일을 타고 음극에서 양극으로 다녀오면 그 힘으로 모터를 돌리게 되는데, 양극 간 거리가 18650 60cm~21700 80cm 길이에서 4680은 385cm로 양극 간 거리가 엄청나게 멀어진 것임.

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85. 전자의 이동경로가 길어지면 배터리의 노화도 빨라지게 됨.

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86. 크고 뚱뚱한 배터리라 용량은 크다고 하더라도, 전자의 이동경로가 길어져서 배터리의 노화가 빨리 오는 문제점이 4680에는 있었던 것임.

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87. 테슬라는 꼭지를 없애는 탭 리스로 문제를 해결함.

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88. 4680은 호일의 시작과 끝에 양극과 음극을 붙여서 호일을 돌돌 말면 건전지 위쪽에 볼록한 꼭지와 아래쪽 오목한 곳에 양극과 음극이 오게 하는 방식이 아니라, 전체 호일의 위쪽과 아래쪽에 모두 양극과 음극을 달아버림.

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89. 건전지의 위쪽 면 전체가 양극이 되고, 아래쪽 면 전체가 음극이 되니, 4680의 전자 이동경로는 385cm가 아니라 4680건전지의 높이인 8cm만 이동하면 되게 된 것임.

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90. 전자 이동경로가 짧아지다 보니 배터리 수명도 늘어남.

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91. 4680에 해당하는 발표는 아니었지만, 텝리스는 수명이 100년을 가는 배터리를 만들었다는 발표를 할 수 있는 기반이 됨.

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92. 4680은 다른 장점들도 많음.

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93. LG에너지솔루션에서 생산하는 파우치형 배터리는 충격에 약하기 때문에 격벽을 만들고 셀 위에 완충제를 넣은 뒤 배터리팩의 뚜껑도 만들어서 덮어줘야 함.

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94. 4680은 뚱뚱한 본체로 어느 정도 하중을 받을 수 있어서, 격벽과 뚜껑을 걷어내고 배터리팩 위에 철판 하나를 깐 다음 바로 시트를 얹을 수 있게 됨.

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95. 격벽이나 추가 배터리팩 뚜껑, 완충제 등이 안 들어가다 보니, 더 많은 배터리를 집어넣거나, 더 많은 실내공간을 만들 수 있게 된 것임.

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96. 인산철배터리가 셀투팩 기술로 추가 공간을 만들어서 주행거리를 늘렸다면, 4680은 팩 자체 공간도 줄여서 셀투샤시를 만들어 버린 것임.

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97. 전기차 화재에도 어느 정도 대비를 함.

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98. 원통형 배터리의 하방을 얇게 해서, 배터리에 화재가 나면 불길이 시트가 있는 위쪽이 아니라 바닥 쪽으로 나가게 만들어 대피할 시간을 벌어주게 됨.

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99. 테슬라는 이 배터리를 연간 3000기가 생산하겠다고 함

 

 

100. 3000기가라는 규모는 현재 배터리 생산 1위인 LG엔솔이 1년에 생산하는 게 100기가 정도라 LG화학의 30배 물량임.

 

 

101. 물량뿐만 아니라 배터리 가격까지 56% 낮추겠다고 함.

 

 

102. 올해 말 특허가 풀리면 낮은 가격으로 세계 시장을 공략하겠다는 인산 철 배터리는 더 낮은 가격에 월등한 성능의 4680과 경쟁을 하게 됨.

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103. 인산 철의 남은 경쟁력이 싸고 풍부한 자원만 남게 됨. .

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104. 인산 철의 인과 철은 물량이 넉넉한 반면, 3원계 배터리의 리튬은 세계 몇군데 없는 소금호수에서 몇 년에 걸쳐서 노천 채굴을 해야 하는 만큼 공급이 부족한 게 현실임.

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105. 테슬라는 리튬을 미국의 진흙에서 추출하는 기술을 개발했다는 발표를 했고, 미국의 니켈 광산을 아예 사버림.

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106.4680은 30% 정도를 테슬라가 자체 생산하고, LG엔솔, 파나소닉, 삼성SDI가 70% 정도를 생산하는 방식으로 각각 공장 건설에 들어감.

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107. 인산철은 테슬라의 계획이 실현되면 특허가 풀려도 세계 시장을 장악하기는 힘든 분위기가 되고 있음.

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108. LG엔솔이나 삼성SDI의 경우 물량 걱정 없이 공장을 돌릴 수 있을 것으로 보이나, 56%의 가격 인하가 있는 만큼 낮은 마진으로 대량생산해서 박리다매급 수익을 가져가는 구조가 될듯함.

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한 줄 요약. 배터리 전쟁에서 삼원계를 인산철이 앞서는듯했으나, 테슬라가 삼원계 4680으로 치고 나옴. 테슬라가 충분한 리듐과 니켈을 확보할지가 관전 포인트임.