중국의전기자동차보급증가와리튬이온전지산업의발전 에너지수급연구실이승문연구위원 (paragon@keei.re.kr) 리튬이온전지기술의발전으로전기자동차는자동차시장에성공적으로재등장하였으며, 전기자동차의보급확대는리튬이온전지산업의규모의성장을유도함. 세계전기자동차보급은 2012 년부터연평균 54% 증가하여 2016 년약 69 만대로증가하였으며, 2025 년까지연평균 31% 증가하여약 7.6 백만대에도달할전망임. 전기자동차보급의확대로전기자동차용리튬이온전지사용량은 2012 년부터연평균 76% 상승하여 2016 년 20.4GWh 에도달하였으며, 2024 년까지연평균 20% 증가하여약 284GWh 를기록할전망임. 중국의전기자동차용리튬이온전지의사용량은 2011~2015 년연평균 159% 증가하였으며, 중국은세계전지시장에서의경쟁력강화를위하여 NMC 리튬이온전지생산용량을증대시킬계획임. 세계리튬이온전지시장에서중국의경쟁력이강화되면서국내리튬이온전기기업에게는위협요소로작용할수있음. 1. 머리말 리튬이온전지기술의발전은전기자동차를자동차시장에성공적으로재정착시 켰으며, 전기자동차의판매증가는리튬이온전지산업의성장을촉진하고있음. 전기자동차는내연기관자동차보다자동차시장에먼저등장하였고, 정숙성, 낮은유지비등으로 1900년미국자동차시장 ( 승용차, 트럭, 버스택시, 구급차등 ) 의 38% 를차지할정도로 1) 널리활용된바있음. 2) 하지만, 1908년대량생산방식의포드 모델T 가출시되고, 1920년대미국텍사스에서대형유전이개발되면서가격경쟁력약화, 충전애로, 짧은주행거리문제로전기자동차는퇴조되었음. 1970년대이후환경및대기오염문제가대두되자전기자동차에대한관심이다시일었으나, 에너지밀도가높은자동차용전지개발의한계등으로전기자동차는자동차시장에서지속성장하는데실패하였음. 3) 리튬이온전지기술의발전과전지자동차판매증가는상호보완적관계를형성 최근리튬이온전지기술이발전되고전기자동차에적용되기시작하면서전기 1) 김시언 ( 2015, p.33) 2) 세트플레처 ( 2015, p.141) 3) 1990 년에 CARB(California Air Resources Board) 는 ZEV(Zero Emission Vehicle) 규제를채택함. 이규제에따르며, 자동차기업들은캘리포니아에서판매되는차량의 2%(1998 년 ), 5%(2001 년 ), 10%(2013 년 ) 를 ZEV 로판매해야함 (https://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/background.htm). GM 은납축전지를탑재한 1 세대 EV1 을 1996 년에출시하였으나, 1999 년니켈수소전지를탑재한 2 세대 EV1 을마지막으로제조함 ( 세트플레처, 2015, p.148~149). 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 1
자동차는자동차시장에서서히정착하기시작함. 전기자동차의판매가증가하면서전기자동차에사용되는리튬이온전지에대한수요도크게확대될것으로전망됨. < 전기자동차개발역사 > 자료 : 배중호 ( 2013, p.6) 2. 전기자동차보급동향및전망 세계주요국들은환경문제해결, 석유의존도감소, 신산업육성등의목적을가지고전기자동차보급정책을시행 미국, 중국을비롯한주요국들은대기환경개선, 석유의존도감축, 신산업육성등의목적을가지고전기자동차보급정책을시행해오고있음. 미국은 2015년 7월 전기자동차와충전인프라보급확대정책 (Actions, Guiding Principles to Promote Electric Vehicles and Charging Infrastructure) 을발표하였음. 미국은충전인프라네트워크구축및재정지원을통한전기자동차보급목표를설정하였으며, 주마다다양한구매보조금제도를시행하고있음. 중국은 2015년 50만대, 2020년 500만대보급목표를설정한 에너지절약형및신에너지자동차발전계획 (2012~2020) 을 2012년에발표하였음. 중국은주행거리에따라전기자동차구매보조금을차별적으로지급하고, 전기자동차보급목표에따라차등적으로충전인프라보조금을지원하는제도를시행하고있음. EU 북서국가들은 E-mobility 전략을통하여전기자동차보급프로그램, 경험, 정보등을공유하면서전기자동차보급을촉진하고있음. 전기자동차보급동향 2016 년세계전기자동차보급대수는전년대비 55% 증가한약 69 만대로잠 정집계됨. 4) 2 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1
2012년세계전기자동차보급대수는약 12만대였으며, 2016년까지연평균 54% 의높은증가율로증가하고있으며, 2012~2016 년누적보급대수는약 180 만대에육박하였음. ( 중국 ) 2016년중국의전기자동차보급대수는약 28만대로전년대비 148% 증가하였음. 중국의 2012년전기자동차보급대수는약 7천대였지만, 강력한전기자동차보급정책에힘입어 2016년까지연평균 150% 증가하였음. 중국이세계전기자동차보급시장에서차지하는비중은 2012 년약 6% 에불과하였지만, 2016 년에는 41% 로증가하면서세계에서가장큰전기자동차시장으로부상함. ( 유럽 ) 2016년유럽의전기자동차보급대수는전년대비 15% 증가한약 21만대를기록하였으며, 2016년유럽에서전기자동차보급이많은나라는노르웨이 (4만 5천여대 ), 영국 (4만여대 ), 프랑스 (3만 3천여대 ) 순임. 유럽은 2015 년세계전기자동차보급시장에서차지하는비중이 41% 를기록하면서세계최대의전기자동차시장으로부상하였지만, 중국의급격한성장으로 2016 년에는 30% 로세계에서두번째로큰전기자동차보급시장의위치를차지함. ( 미국 ) 미국의 2016년전기자동차보급대수는전년대비 38% 증가한약 16만대를기록하였음. 미국은 2012~2014 년까지세계전기자동차보급시장에서차지하는비중이 40% 이상을차지하면서세계최대의전기자동차보급시장이었지만, 2015 년이후 25% 내외의비중을차지함. 일본은 2만 7천여대의전기자동차가보급되어 2012년세계전기자동차보급시장의 22% 를차지하였지만, 하이브리드차량위주의보급증가, 새로운전기자동차모델출시의지연등으로전기자동차보급은 2016년에는 2만여대로하락함. 전기자동차가세계자동차보급시장에서차지하는비중은 1.35% 를기록하고있음 (2016년 4분기기준 ). 5) 2016 년 4분기전기자동차가세계자동차보급시장에서차지하는비중은 1.35% 를기록 중국에서전기자동차가자동차보급시장에서차지하는비중은 2012년 1분기 0.04% 로매우낮았지만, 지속적으로상승하여 2016년 2분기에는 1% 를넘겼으며, 4분기에는 1.41% 로상승함. 유럽의경우, 2014년 4분기 1% 를넘은이후로지속적으로 1% 이상을기록하였으며, 2016년 4분기에는 2% 를상회함. 특히, 2016년 4분기에노르웨이는 4) 본고에서전기자동차라함은특별한언급이없는한 PHEV(Plug- in Hybrid EV) 와 BEV(Battery EV) 만을지칭함. 5) Bloomberg( February 2017a, 엑셀자료 ) 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 3
29.0%, 네덜란드는 15.1% 를기록함. 북미지역의경우, 2014 년 1 분기에 0.55% 수준이었지만, 2016 년 4 분기처음으 로 1% 를상회함. < 세계전기자동차보급추이 (2012~2016 년 ) > ( 단위 : 대 ) 800,000 700,000 600,000 500,000 400,000 300,000 200,000 100,000 0 2012 2013 2014 2015 2016 China Europe US Canada Japan RoW 자료 : Bloomberg( February 2017a, 엑셀자료 ) 세계각국의자동차보급시장에서자국의전기자동차보급비중이 1% 가넘은국가들의수가증가하고있음. 6) 2014년전기자동차보급비중이 1% 가넘은국가는노르웨이, 네덜란드, 스웨덴 3곳뿐이었으며, 2015년에는프랑스, 영국, 덴마크가추가됨. 2016년에는벨기에, 독일, 스위스, 중국, 미국, 오스트리아가추가되면서 12개국으로증가함. 전기자동차보급전망 2015~2025 년세계전기자동차보급은연평균 31% 증가할전망 전기자동차보급정책등에힘입어세계전기자동차보급은 2015년 45만대에서연평균 31% 증가하여 2025년에약 7.6백만대에도달할것으로전망되고있음. 7) 지역별로는중국은연평균 35% 성장하여 2025년에약 2.6백만대에도달하고세계전기자동차보급시장에서차지하는비율은 2015년 28.2% 에서 2025년약 34% 로상승하면서세계최대의전기자동차시장의위치를지속적으로유지함. 6) Bloomberg( February 2017a, p.3) 7) Frost&Sullivan(March 2017, p.28) 은 HEV(Hybrid EV) 를포함한전기자동차보급이 2015 년 2.4 백만대에서 2025 년 17.6 백만대로증가하고, PHEV 와 BEV 가약 50% 의비중을차지할것으로전망함. 2025 년자동차보급시장에서전기자동차가차지하는비중은 14~16% 에이를것으로보임. 4 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1
미국의경우, 연평균 34% 증가하여 2025년약 2.1백만대가보급되고세계전기자동차보급시장에서차지하는비율은 2015년 25.1% 에서 2025년 28% 로소폭상승할전망임. 유럽의경우, 연평균 24% 증가하여 2025년약 1.5백만대가보급되지만, 세계전기자동차보급시장의비중은 2015년 39.8% 에서 2025년 20% 로크게하락할전망임. 세계자동차신규증가에서전기자동차가차지하는비중은 2015년 0.6% 에서 2025년 7.8% 로상승할것으로전망됨. 국가별자동차보급에서전기자동차가차지하는비중은중국이 2015년 0.6% 에서 2025년 9.0% 로, 미국이 0.7% 에서 10.9% 로, 유럽이 1.1% 에서 8.9% 로크게증가할것으로전망됨. < 세계전기자동차 * 보급전망 (2014~2025 년 ) > ( 단위 : 천대 ) 주 : * 승용차 (LDV) 기준자료 : Bloomberg( February 2016) 3. 리튬이온전지시장동향및전망 리튬이온전지시장동향 전기자동차에사용되는전지는전기자동차종류에따라니켈수소전지 (HEV 用 ) 와리튬이온전지 (HEV, PHEV, BEV 用등 ) 로구분되고있음. 리튬이온전지는높은에너지밀도와출력, 비메모리효과, 긴수명등의장점으로인하여고출력과대용량이요구되는전기자동차용으로널리사용됨. 전기자동차에사용되는전지는전기자동차종류에따라다르며, 리튬이온전지가 HEV, PHEV, BEV 에사용되고있음 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 5
2012 년전기자동차에사용된니켈수소전지는 1.5GWh 에서 2016 년에는 1.9GWh 로소폭증가만을기록함. 8) 2012년리튬이온전지사용량 2.1GWh 에서 BEV가차지하는비중은 63.8% 였지만, 2016년에는 81.4% 로크게상승함. 2012년자동차용리튬이온전지시장에서가장큰시장점유율을기록한기업은 LG화학 (33%) 이었지만, 2016년에는테슬라에전지를공급하는 Panasonic(34%) 과 BYD 차량에전지를공급하는 BYD(23%) 가높은시장점유율을기록함. 2012 년리튬이온전지사용량 2.1GWh 에서 BEV 가차지하는비중은 63.8% 였지만, 2016 년에는 81.4% 로크게상승함 < 전기자동차 * 용리튬이온전지사용량동향 > ( 단위 : GWh) 주 : * 승용차 ( LDV) 기준자료 : Bloomberg( February 2017a, January 2014, M arch 2013) 리튬이온전지팩 (battery pack) 평균가격은 2010년 $1,000/kWh 에서연평균 19.5% 하락하면서 2016년약 $273/kWh 를기록함. 2016년평균가격은약 $273/kWh 이지만, 전기자동차를생산하는자동차기업에제공되는평균가격은대규모주문과장기계약등으로약 $200~260/kWh 에형성되고있으며, ESS를제조하는소규모구매자와 PHEV 용전지구매자의평균가격은약 $300/kWh 에형성됨. 리튬이온전지셀 (battery cell) 의평균가격은 2013년 $411/kWh 에서연평균 21.5% 하락하여 2016년 $199/kWh 를기록함. 전지가격에서셀이차지하는비중은거의 70% 에이름. 리튬이온가격은전지기술의발전, 규모의경제실현, 전지공급주체간경쟁심화, 장기계약의증가등으로지속적으로하락해옴. 8) Bloomberg(31 May 2016, 23 August 2016, 17 November 2016, 23 February 2017a) 6 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1
< BNEF 2016 전지팩가격조사결과 > ( 단위 : $/kwh) 자료 : Bloomberg( December 2016, p.2) 리튬이온전지시장전망 9) 리튬이온전지의수요는 2016년 65.1GWh 에서연평균 20.2% 증가하면서 2024 년에약 283.5GWh 를기록할전망임. 2016년리튬이온전지수요의약 73% 를차지하였던가전제품부분은연평균 10.3% 증가하여 2024년약 104.0GWh 를기록할전망임. 전기자동차용리튬이온전지의수요는전기자동차보급의확대로연평균 34.0% 증가하여 2024년에 163.4GWh 에도달하면서세계리튬이온전지수요증가를주도할전망임. 리튬이온전지의수요는 2016~2024 년연평균 20.2% 증가할전망임 리튬이온전지가격은 2016~2020 년까지는연평균 10% 정도하락하고, 2030년까지는연평균 7% 하락하여약 $73/kWh 에이를전망임. 리튬이온전지가격은금융조달비용의하락, 규모의경제, 공정과정의개선등으로지속적으로하락하여 2025년에약 $109/kWh, 2030년에 $73/kWh 을기록할것으로보임. 10) 9) Bloomberg(December 2016, p.13~14) 10) Bloomberg( February 2016, p.3) 는 2030 년리튬이온전지팩가격을약 $120/kWh 로전망하였음. 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 7
< 리튬이온전지수요전망 (2016~2024 년 ) > ( 단위 : GWh) 자료 : Bloomberg( December 2016, p.11) 4. 중국리튬이온전지산업의발전 중국의전기자동차用리튬이온전지시장확대 중국의전기자동차용리튬이온전지의사용량은 2011 년 0.35GWh 에서 2015 년 15.7GWh 로연평균 158.8% 증가함. 세계전기자동차용전지시장에서중국비중은 2011 년 7.5% 에서 2015 년 28%, 2016 년에 38% 에이를전망임 2015년전기자동차보급이급증 ( 전년대비 220% 증가 ) 하면서리튬이온전지에대한수요도급격히증가함. 2016년 10월까지중국의전기자동차用리튬이온전지의사용량은 14.2GWh 에이르며, 이중약 91% 는 BEV용이고나머지 9% 는 PHEV용으로사용됨. 세계전기자동차用전지시장에서중국비중은 2011년 7.5% 에서 2015년약 28% 에도달하고, 2016년에약 38% 에이를전망임. 11) 2016년세계리튬이온 ( 전기자동차와 ESS용 ) 전지생산용량은 82GWh 로추정됨. 중국의생산설비용량은 37GWh 이며, 전세계용량의약 45.7% 를차지함. 중국의 BYD 는 9.6GWh 의설비용량으로세계최대의전기자동차및 ESS 용리 튬이온전지생산설비를갖춘기업으로성장함. 11) 채영근 ( 2016, p.18) 8 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1
< 중국전기자동차 * 용리튬이온전지수요변화 > ( 단위 : GWh) 주 : 2016 년전망치는 17GWh 임 ; * 모든종류의전기자동차를포함자료 : Bloomberg( Januar y 2017, p.5) 중국전지기업들은리튬이온전지생산설비용량확대를추진하고있으며, 계획생산설비용량은약 157GWh 에이름. BYD는 2017년에 Kengzi 에 6GWh 의리튬이온전지설비용량을증대하여연간 15.6GWh 의리튬이온전지를생산할예정임. CATL은향후 5년간 300억위안을투자하여리튬이온전지의생산능력을 50GWh 로증가시킬계획임. Hefei Guoxuan High-Tech Power Energy 는 2015년 2GWh 에서 2020년까지 23GWh 로생산설비를확대할계획임. 중국전지기업들은리튬이온전지생산설비용량확대를추진하고있으며, 계획생산설비용량은약 157GWh 에이름 LISHEN 은 2016년 3GWh 에서 2020년까지 Tianjing 과 Suzhou 에 17GWh 의용량을증설할계획임. CALB(China Aviation Lithium Battery) 는 2015년 0.9GWh 의리튬이온생산용량을가기고있었으며, 2016년 1.5GWh 가추가되고, 2017년에 2.5GWh 가추가될예정임. 최종적으로연간 12GWh 를생산할목표를세움. Camel Group 은 80억위안을투자하여총 4GWh 의 LFP와 NMC 리튬이온전지를생산할계획임. Narada Power 는 178억위안을투자하여 2.3GWh 의생산설비를증설하여총 3.5GWh 의리튬이온전지를생산할계획임. Harbin Coslight 는 2016년 1.5GWh, 2017년 3GWh, 2018년 4.5GWh 로설비용량을증설할계획임. 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 9
중국리튬이온전지기술의발전 중국에서보급되는전기자동차에사용되는리튬이온전지의에너지밀도는 2015 년 89Wh/kg 에서 19% 증가하여 2016년 106Wh/kg 을기록함. 12) 리튬이온전지에너지밀도의산업평균은 2011년 83Wh/kg 에서연평균 5.2% 증가하여 2016년 113Wh/kg 에도달함. 13) 중국의리튬이온전지의에너지밀도는 2015년산업평균대비 88.9% 수준이었지만, 2016년에는 94.1% 수준으로개선됨. 중국은세계전지시장에서의경쟁력강화를위하여 NMC 리튬이온전지생산용량을증가시킬계획임 중국에서전기자동차의보조금을받기위해서는 MIIT(Ministry of Information and Industrial Technology) 에의해승인된기업에서생산한전지를사용해야함. 현재 MIIT에승인된기업은총 57개기업이지만, 외국기업은포함되지않음. 현재중국의주력리튬이온전지는 LFP 리튬이온전지이지만, 세계전지선두기업들이생산하는주력제품은 NMC 리튬이온전지임. 중국은 LFP에서 NMC 로넘어가기위한시간적여유를갖기위해 MIIT의승인전기기업리스트에외국기업을배제시키는것으로보임. 14) 중국은세계전지시장에서의경쟁력강화를위하여 NMC 리튬이온전지생산용량을증가시킬계획이며, 15) 2016년 6월 NABIC(National Automobile Battery Innovation Centre) 을설립하였음. BYD는 2017년에 NMC 리튬이온생산설비를 5~6GWh 증설할계획을세움. CALB 는현재 NMC 생산용량은약 0.4GWh 이지만, 1.25GWh 의 Jintan 공장은 NMC 리튬이온전지를생산할계획임. EVE는 2016년 6월 1GWh 의 NMC 생산시설을완공하였으며, 2017년초에 2.5GWh 의용량을증설할계획임. DMEGC 는 2016년 8월 30억위안을투자하여 201년까지 6GWh 의 NMC 생산시설을건설할계획을발표함. 12) Bloomberg( January 2017, p.9) 13) Bloomberg( November 2016, p.12) 14) 리튬이온전지의 4 대구성요소는음극 ( anode), 양극 ( cathode), 전해액 ( electrolyte), 분리막 (separator) 임. 양극재는용량증대와같은성능개선을결정하는중요한소재로써, 전지업체의전략소재임. LCO(LiCo 2 ), NCM(L(Ni,Co,Mn)O 2 ), NCA(L(Ni,Co,Al)O 2 ), LMO(LiMn 2 O 4 ), LNO (LiNiO 2 ), LFP(LiFePO 2 ) 등의리튬산화물이양극재소재로사용되고있음. 중국이주로생산하는 LFP 는안전성이매우높지만, 에너지밀도가낮아부피가커지고, 보존수명이자동차업체기준에미달하는단점이있음. LFP 의장점은안전성과가격이지만, 가격하락이기대만큼이루어지지않고있음. 또한, 한국과일본의전지선도기업들이 LFP 를양극재로서많이사용하지않고, LFP 의장점을살릴수있는시장을찾기어려운점등으로 LFP 사용이제한적임. NCM 은 LNO 의용량, LCO 의출력, LMO 의안전성을조합시키기위해개발된양극재소재임. 고용량구현을위하여니켈함량을 50% 이상증가시키는방향으로 NCM 관련연구가진행중임 ( 선우준, 2015). 15) Bloomberg( January 2017, p.11~12) 10 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1
BAK 는현재 2.5GWh 의 NMC 용량을 2017 년말까지 6GWh 로증설할계획임. 5. 시사점 LG화학과삼성SDI 는 2015년기준리튬이온전지기술경쟁력순위 1위와 3위를차지하고있지만, 16) 중국의공격적인기술개발투자확대와풍부한핵심소재보유로세계리튬이온전지시장에서중국과의치열한경쟁이전망되고있음. 리튬이온전지의선두업체들 (LG화학, 삼성SDI, Panasonic 등 ) 은 NMC 리튬이온전지생산에주력하고있음. 반면, 중국은현재 NMC 전지기술부족으로 LFP 전지생산에주력하고있지만, 세계리튬이온전지시장에서의경쟁력강화를위하여 NMC 전지기술개발에투자를확대하고있음. 중국은 NMC 리튬이온전지생산에필요한흑연 (graphite), 니켈 (Nickel), 망간 (Manganeses), 구리 (Copper) 등의핵심소재 (raw materials) 자원을풍부하게보유하고있음. 중국의전기자동차보급확산과전지산업의상생발전전략으로전기자동차와리튬이온전지시장은심화된경쟁구조가전개될것으로판단되고있음. 17) 중국전기자동차기업들은중국전지업체를주요전지공급업자로선정하여발전적파트너십을구현하고있음. BYD 차량에전지공급을배타적으로공급하고있는 BYD 는세계자동차용이차전지시장에서세계 2위의시장점유율을유지하고있으며, 기술적으로도경쟁력을갖춘것으로평가됨. 중국은현재경쟁력이열세인전기자동차와리튬이온전지산업의육성을위하여, MIIT에승인된기업이생산한전지를사용한전기자동차에게만보조금을지급하고있음. 중국은자동차와전지기업간의전략적파트너십을통한중국전기자동차와리튬이온전지산업의상호발전적전략을구사함 전기자동차와전지기업간의장기적파트너십유지는리튬이온전지가격의하 락을가져오고, 이는다시전지자동차보급증가를촉진하는선순환구조를가 지게되어중국의경쟁력제고에기여할것으로분석되고있음. 16) 강정화 ( 2016, p.25) 17) Bloomberg(December 2016, p.9~10) 에따르면, GM, 현대, Volvo, Renault 는 LG 화학과 BMW 는삼성 SDI 와 Nissan 은 AESC 와, T esla 는 Panasonic, BYD 는 BYD 자동차와배타적인관계를형성하고있음. 세계에너지시장인사이트제 17-15 호 2017.5.1 11
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