독자 기술과 공급망 시너지로 승부! 포스코퓨처엠 음극재 경쟁력 – 유승재 음극재연구센터장

오늘날 글로벌 배터리 산업의 성패는 ‘누가 더 안정적이고, 규제에서 자유로운 공급망을 확보하느냐’에 달려 있다. 배터리 업계의 거대한 장벽이 된 미국과 유럽의 규제 속에서도 포스코퓨처엠은 독보적인 공급망 솔루션으로 위기를 기회로 바꾸고 있다. 일본 메이저 배터리사, 글로벌 자동차사와의 6,700억 원 규모 천연흑연 음극재 공급 계약에 이어 올해 3월 1조 원 규모의 인조흑연 음극재 장기 계약을 잇달아 체결하며 독보적인 저력을 입증했다. 이러한 성과는 원료부터 중간소재, 완제품 생산에 이르는 전 과정에서 공급망 내재화를 이뤄낸 뚝심의 결실이다. 포스코퓨처엠이 그리는 음극재 공급망 자립의 미래와 기술개발 현황을 유승재 음극재연구센터장의 목소리를 통해 들어본다.

PART 01

천연에서 인조까지, 음극재 국산화를 이룬 포스코퓨처엠

포스코퓨처엠의 가장 큰 경쟁력은 급변하는 글로벌 배터리 시장의 요구에 맞춰 천연흑연과 인조흑연 음극재를 고객 맞춤형으로 양산·공급할 수 있는 독보적인 포트폴리오에 있습니다.

전기차 배터리 음극은 천연흑연과 인조흑연을 혼합(blending)해 구성하는데, 최근 고성능·급속 충전을 요구하는 트렌드에 따라 인조흑연 음극재의 수요가 급증하고 있습니다. 광산에서 채굴한 인상흑연을 원료로 하는 ‘천연흑연 음극재’는 뛰어난 에너지 저장 용량과 가격 경쟁력이 강점이라면, 고온 열처리하여 제조하는 ‘인조흑연 음극재’는 구조적 안정성이 높아 고속 충전 성능을 극대화하는 데 유리하죠.

포스코퓨처엠은 이 두 가지 핵심 소재를 모두 양산하며 시장의 요구에 유연하게 대응하고 있습니다. 더 나아가 차세대 전고체 배터리 등에 적용될 ‘실리콘 음극재’ 사업화까지 속도를 내며 업계 최고 수준의 포트폴리오를 구축했습니다. 특히 지속적인 공정 혁신을 통해 생산성을 극대화하며 글로벌 기술 경쟁력을 입증하고 있습니다.

포스코퓨처엠의 이러한 성과는 오랜 국산화 노력의 결실입니다. 지난 2011년, 천연흑연 음극재 국산화에 성공한 데 이어, 2021년에는 포항에 인조흑연 음극재 공장을 준공하며 독자적인 양산 체제를 구축했습니다. 이러한 국산화와 원료 내재화는 단순히 기술 자립을 넘어, 지정학적 리스크가 커진 글로벌 시장에서 고객사에 가장 안정적인 공급망을 보장하는 포스코퓨처엠만의 독보적인 경쟁력이 되고 있습니다.

▲포스코퓨처엠과 몰튼(Molten)은 지난 3월 메탄가스를 활용한 천연흑연 음극재 원료 공동개발 양해각서를 체결했다.

포스코퓨처엠은 미국 몰튼(Molten)*사와 협력하여 광산에서 채굴하지 않는 원료를 활용한 천연흑연 음극재 개발을 추진하고 있습니다. 이는 기존의 광산 채굴형 흑연 의존도에서 벗어나, 양사의 독보적인 원료·소재 기술력을 결합해 새로운 방식으로 핵심 원료를 확보한다는 점에서 의미가 큰데요. 이를 통해 원료 공급망 다변화와 원가 절감을 달성하고, 글로벌 시장에서 차별화된 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대합니다.

*몰튼(Molten) : 미국 캘리포니아주에 본사를 둔 기업으로, 메탄가스를 열분해해 흑연을 제조할 수 있는 세계 유일의 기술력을 보유하고 있다.

포스코퓨처엠은 몰튼의 메탄가스를 활용한 흑연 생산 기술과 자사의 음극재 제조 기술을 결합해 원료 공급망을 강화할 계획입니다. 몰튼이 메탄가스를 열분해하여 흑연을 생산하면, 포스코퓨처엠의 자회사 퓨처그라프를 통해 구형흑연으로 가공한 뒤 세종공장에서 최종 천연흑연 음극재를 생산할 계획이죠.

메탄가스로 생산한 흑연은 광산 채굴 흑연보다 금속 불순물 함량이 낮아 정제 공정을 대폭 축소할 수 있으며, 이는 음극재 생산 비용의 획기적인 절감으로 이어집니다. 아울러 메탄가스 열분해 과정에서 부산물로 발생하는 수소는 전력 생산에 활용하거나 포스코의 수소환원제철 공정에 공급하는 등 포스코그룹 차원의 강력한 시너지 효과도 창출할 수 있을 것으로 기대합니다.

PART 02

포스코그룹의 시너지로 완성하는 ‘K-음극재’ 공급망 자립

▲포스코인터내셔널은 지난해 매장량 기준 세계 2위 규모의 탄자니아 마헨게 흑연 광산 개발에 착수했다.

흑연은 배터리 음극재 생산에 필수적이지만 전 세계 공급량의 90% 이상을 특정 국가가 차지하고 있어 공급망 리스크가 매우 큽니다. 때문에 전기차와 ESS(에너지 저장 시스템) 시장 성장으로 수요가 급증하는 상황에서 대체 공급선 확보가 필수적입니다. 이에 포스코그룹은 포스코인터내셔널의 원료 확보와 포스코퓨처엠의 소재 생산을 연계한 ‘이차전지 소재 사업의 수직계열화’를 구축했는데요. 앞으로는 아프리카에서 확보한 흑연을 음극재 생산에 직접 투입해 원료 자급률을 높이고 공급망 불안을 해소할 계획입니다.

포스코그룹의 이차전지 소재 사업은 포스코그룹의 원료 확보 역량, 양극재·음극재 기술, 그리고 그룹 전반의 공정 기술이 결합된 구조로 글로벌 배터리 고객사에 안정성과 경쟁력을 동시에 제공할 수 있다는 것이 가장 큰 강점입니다.

▲포스코퓨처엠은 천연흑연 음극재 구형화 및 고순도화 기술 내재화에 주력하고 있다. 자료 출처: 포스코퓨처엠

특히 천연흑연 음극재의 경우, 광산에서 채굴한 흑연을 둥글게 가공해 순도를 높인 중간 소재인 ‘구형흑연’의 특정 국가 의존도가 매우 높습니다. 미국 인플레이션 감축법(IRA) 등 글로벌 공급망 규제에 대응하기 위해서는 이 단계의 기술 자립이 필수적이죠.

이에 포스코퓨처엠은 포스코그룹이 아프리카 등에서 확보한 흑연 원광을 자회사 퓨처그라프의 새만금 공장에서 구형흑연으로 가공하고, 이를 세종 공장으로 보내 최종 천연흑연 음극재로 완성하는 체계를 구축하고 있는데요. 국산화된 공급망을 토대로 글로벌 배터리 및 완성차 업체에 안정적으로 제품을 공급할 계획입니다.

▲포스코퓨처엠과 타이응웬성은 지난 4월 베트남 인조흑연 음극재 사업 투자등록증(IRC)을 전달하는 사전 행사를 진행했다.

인조흑연 음극재는 배터리 급속 충전과 수명 향상에 필수적인 소재이지만 특정 국가 의존도가 높아 공급망 다변화가 시급합니다. 베트남은 투자비, 전력비, 인건비, 물류비가 낮아 타 동남아 국가 대비 원가 경쟁력이 우수한데요. 또한 안정적인 전력망과 산업 인프라를 갖추고 있으며, 미국 등 주요국과의 우호적인 무역 환경에 놓여있다는 것도 큰 강점입니다.

포스코퓨처엠은 베트남 북부 산업도시 타이응웬에 약 3,570억 원을 투자해 인조흑연 음극재 공장을 신설하고 있는데요. 올해 하반기 착공해 2028년 양산하는 것이 목표이며, 확보한 부지는 수주 상황에 따라 최대 5만 5,000톤까지 단계적으로 증설할 예정입니다.

PART 03

  전기차를 넘어 신산업으로, 차세대 실리콘 음극재 기술

실리콘 음극재는 용량이 커서 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축할 수 있는 소재이지만, 충방전 시 부피가 크게 부풀어 오르는 팽창 현상이 발생해 흑연 음극재와 혼합해 사용해 왔습니다.

포스코퓨처엠은 흑연계 음극재보다 약 5배 용량을 높이고, 독자적인 코팅 기술을 적용해 팽창 문제를 최소화한 실리콘 음극재를 개발하는 데 성공했습니다. 2024년 5월부터 데모 플랜트를 가동해 제품을 생산하고 있으며, 글로벌 고객사들과 상용화 및 대량 생산 체계 구축을 위한 협의를 진행하고 있습니다.

▲인터배터리 2026에 전시된 포스코그룹 실리콘 음극재 샘플

휴머노이드 로봇, 드론, 우주항공 등 신산업 분야는 배터리의 무게와 부피를 최소화하면서도 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 확보해야 하는 시장입니다. 장시간 구동과 빠른 충전이 필수적인 로봇과 드론은 물론, 고출력과 높은 신뢰성이 요구되는 우주항공 분야에서도 실리콘 음극재의 수요가 빠르게 늘어날 것으로 전망합니다. 포스코퓨처엠의 실리콘 음극재는 기존 흑연계 대비 용량이 크고 충전 성능이 우수해, 공간과 무게 제약이 엄격한 분야에 최적의 솔루션이 될 수 있습니다.

▲포항시에 위치한 포스코퓨처엠 실리콘 음극재 데모 플랜트 전경

포스코퓨처엠은 국내 유일의 흑연계 음극재 생산 기업으로서 천연·인조흑연 음극재 국산화에 성공한 데 이어, 실리콘 음극재 등 차세대 소재로 포트폴리오를 확장하고 있습니다.

지난 15년간의 연구를 바탕으로 독자 기술을 적용한 제품은 여러 가지가 있지만, 그중 ‘저팽창 천연흑연 음극재’는 고밀도 구형화 공정으로 소재 구조를 개선해, 급속충전 성능은 높이고 팽창률은 낮춘 제품으로 높은 가격 경쟁력을 가지고 있습니다. ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’의 경우 실리콘 음극재와 혼합해 사용할 때 실리콘의 팽창을 억제해 주는 제품으로, 향후 실리콘 음극재 시장 성장과 함께 수요가 동반 상승할 것으로 기대되는데요.

포스코퓨처엠은 이러한 독자 기술 제품들과 ‘원료-소재-제품’으로 이어지는 수직계열화 경쟁력을 바탕으로 급속충전, 고출력, 고에너지밀도 등 미래 배터리 요구 조건을 선제적으로 구현해 나갈 것입니다. 이를 통해 전기차를 넘어 로봇, 드론, 우주항공 등 신산업을 아우르는 글로벌 탑티어 음극재 솔루션 기업으로 성장할 것으로 기대됩니다.