미래 배터리 시장의 게임 체인저 LMR 양극재를 개발하다! – 포스코퓨처엠 기술연구소 양극재개발그룹

홍정후 수석요즘 전기차나 에너지저장 장치와 같은 미래 산업 분야에서 이차전지 소재가 핵심 동력으로 각광받고 있죠. 그중에서도 양극재는 배터리의 4대 구성 요소(양극재, 음극재, 전해질, 분리막) 중에서도 원가 비중이 약 35% 이상을 차지할 만큼 아주 중요한 소재인데요. 배터리의 용량과 출력은 물론 전기 에너지를 저장하고 방출하는 기능까지 모두 양극재가 좌우하기 때문입니다. 저희 포스코퓨처엠 기술연구소 양극재개발그룹에서는 전기차 배터리의 핵심 소재인 양극재를 연구하고, 상용화를 위한 새로운 기술을 개발하는 일을 하고 있습니다.

박도협 책임양극재를 쉽게 정의하면 ‘리튬의 공급원’이라고 할 수 있어요. 양극재는 코발트, 망간, 니켈 등 다양한 금속 성분으로 구성된 전구체에 리튬을 결합해 만드는데요. 어떤 금속을 쓰느냐에 따라 배터리의 명칭과 성능, 안정성이 달라집니다. ‘리튬코발트산화물(LCO)’, ‘니켈코발트망간(NCM)’, ‘리튬인산철(LFP)’, ‘리튬망간리치(LMR)’ 등 실제로 여러 성분을 활용한 배터리가 개발되고 있죠. 저희 팀은 이 중에서도 리튬망간리치(LMR) 양극재 개발에 특히 집중하고 있습니다.

최근 제너럴모터스(GM)와 포드(Ford)가 각각 2028년과 2030년에 LMR 배터리를 채택한 전기차 출시 계획을 발표하면서 LMR이 글로벌 완성차 시장에서 크게 주목받고 있는데요. 저희 팀 역시 전기차 시장의 게임체인저가 될 LMR 배터리 개발에 총력을 기울이고 있답니다!

정광은 책임현재 전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리 중에서 가장 많이 사용되는 배터리가 LFP 배터리입니다. 이 배터리는 중국이 기술 개발을 주도하고 있는데요. 높은 안정성과 저렴한 가격이 장점인 반면, 에너지 밀도 면에서는 다소 아쉬운 점이 있어요. 예를 들어, 기온이 영하 10도만 돼도 성능이 60~70% 수준으로 떨어지거든요.

이런 단점을 보완하기 위해 새롭게 등장한 배터리가 바로 LMR 배터리예요. LMR은 가격이 비싼 코발트와 니켈의 사용량을 크게 줄이고, 대신 저렴한 망간의 비중을 높인 것이 특징입니다. LFP보다 에너지 밀도가 높아 더 큰 배터리 용량과 성능을 구현할 수 있고, 그만큼 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있죠. 또, 리사이클링이 어려운 LFP와 달리 LMR은 리튬 회수율이 높아 재활용성 측면에서도 강점을 가지고 있고요.

홍정후 수석LMR은 단순히 가격과 성능뿐 아니라 지속가능성 측면에서도 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있어요. 물론 장점이 많은 만큼, 양산을 위해서는 해결해야 할 과제들도 있죠. 성능 저하를 방지하기 위해 평균 전압을 안정적으로 유지하고, 불필요한 가스 발생을 억제하는 양극재 표면 코팅 기술 개발 등 다양한 기술적 뒷받침이 필요하거든요.

중국의 경우, 이미 대규모 LFP 양산 체제를 구축해 두었기 때문에 단기간에 LMR 체제로 전환하기는 쉽지 않은 상황인데요. 그런 만큼, 더욱 혁신적인 연구 개발이 중요하다고 할 수 있습니다. 저희 팀은 이런 복잡한 연구 개발 과정을 거치며 이미 LMR 양극재 개발을 마쳤고, 현재는 양산 기술 확보에 박차를 가하고 있습니다.

박도협 책임 저희는 연구개발 단계를 크게 실험실(Lab) 단계와 파일럿(Pilot) 단계로 나누어 진행했습니다. 먼저 실험실 단계 연구개발이란, 양극재 소재의 기본 특성과 최적의 조합, 공정 조건을 빠르고 정확하게 탐색하는 단계인데요. 이 과정에서 LMR 양극재의 성능을 높이고 원가를 절감하는 것을 목표로 창의적인 아이디어와 실험적 접근을 통해 양극재의 기본 특성과 최적의 조합을 찾아낼 수 있었습니다.

양주현 책임 앞서 박도협 책임님이 설명하셨듯이, 양극재를 만드는 과정은 니켈과 코발트, 망간, 알루미늄 등 다양한 금속 원료로 구성된 전구체에 리튬 소스를 첨가한 뒤, 고온에서 합성하는 소성 과정을 거쳐 생산되는데요. 저희는 이 과정에서 다양한 전구체 후보군을 선정해 주요 물성 특성을 평가한 후 최적의 소재를 찾아 실험에 착수했어요. 연구개발 과정에서 쌓아온 다양한 요소 기술을 적용하고, 변수의 영향을 분석하면서 배터리 초기 용량과 수명 등 여러 성능 평가 과정을 거쳐 최적화된 LMR 양극재를 도출할 수 있었죠. 소재 설계와 공정 조건을 끊임없이 개선하며 실험을 이어간 끝에, 양산 적용 가능성까지 검토할 수 있었고요!

김진은 책임여기서 끝이 아니에요. 실험실에서 좋은 결과가 나왔더라도, 개발된 양극재의 성능이 실제 양산 환경과 유사한 조건에서는 그대로 구현되지 않을 수 있거든요. 그래서 파일럿 단계에서 실제 양산 환경과 유사한 라인에서 장입량, 생산량, 소성로 조건 등을 조정하며 반복 실험을 통해 최적의 조건을 찾아갔죠.

김지수 책임실험실 단계에서는 100~200g 단위로 양극재를 소성할 수 있는데, 실제로 고객사에서는 작게는 킬로그램(kg), 크게는 톤(t) 단위의 샘플을 요청하곤 해요. 즉, 파일럿 단계에서 실험실에서 얻은 성능과 동일한 수준의 양극재를 안정적으로 생산할 수 있어야 고객사에서 양산 가능성을 제대로 검증할 수 있습니다. 저희 입장에서는 양극재 제품 생산을 위한 최적의 조건을 확보할 수 있어서 이 단계가 매우 중요했죠.

홍정후 수석팀원들과 함께 힘을 모아 LMR 공정 안정성을 높이기 위한 본격적인 연구개발에 나섰는데요. 파일럿 라인은 한 가지 조건만 달라져도 양극재 성능이 크게 달라질 수 있기 때문에 미세한 공정 변화도 품질에 큰 영향을 줄 수 있어, 각 조건에 대한 세심한 조정이 필수적이었어요.

다양한 조건을 반복 검증하면서 실험실에서 설계한 소성 조건을 실제 장치에 맞게 적용한 결과, 실험실 단계에서 확보한 성능과 유사한 양극재를 파일럿 단계에서도 안정적으로 생산할 수 있었고, 고객사 평가도 무사히 통과해 최종적으로 기술을 완성할 수 있었습니다. 덕분에 양산 전 최적 조건과 경제성까지 확보할 수 있었어요!

정광은 책임열흘 안에 파일럿 샘플을 받아보고 싶다는 고객사 요청이 들어왔을 때 정말 당황했던 기억이 나요. 고객사 대응과 소재 최적화 두 가지를 동시에 진행해야 했거든요. 그 상황에서 최대한 침착하게 팀원들과 역할을 나누기로 했고, 저는 고객사와 소통하며 요구 사항을 정리, 박도협 책임님은 실험 조건 최적화에 집중했죠. 그렇게 모두가 함께 자신의 자리에서 열심히 해준 덕분에 고객사가 원하는 납기도 맞추고, 소재 품질도 제대로 확보할 수 있었답니다.

박도협 책임 정광은 책임님이 그때 상황을 말씀해 주시니 저도 그 순간이 생생하게 떠오르네요. 당시 LMR 파일럿 샘플 납기까지 얼마 남지 않아 샘플 제작은 물론 소재 최적화까지 병행해야 해서 쉽지 않았죠. 그때 평소 저희 팀의 의견을 완벽하게 조율해 주시는 팀의 ‘마에스트로’ 정광은 책임님이 각자 해야 할 역할을 효율적으로 배분해 주셨는데요. 그 덕분에 무사히 샘플 제작을 마칠 수 있었어요. 혼자였다면 절대 해내지 못했을 거예요.

김진은 책임 파일럿 단계에서는 성능이 기대치보다 낮게 나왔던 순간도 있었어요. 실험실에서는 목표치를 달성했는데, 파일럿에서는 결과가 전혀 다르게 나와서 난감했죠. 그때 팀원들과 머리를 맞대고 공정 하나하나를 다시 점검하면서 원인을 찾으려고 노력했어요. 홍정후 수석님과 이론적으로 접근하다가 혼합 시간과 순서를 바꿔가며 반복 실험을 했더니 성능이 눈에 띄게 개선되더라고요!

홍정후 수석현재 글로벌 배터리 시장은 핵심 소재와 부품 공급망이 중국에 지나치게 집중돼 있어, 공급망 확보가 정말 중요한 과제로 떠오르고 있어요. 그래서 저희 팀의 가장 큰 목표는, 안정적인 공급망과 기술력을 갖춘 LMR 배터리를 성공적으로 상용화하는 것입니다.

앞으로도 배터리 소재의 안정성 강화, 가격 경쟁력 확보, 충·방전 성능 개선 등 여러 방면에서 더 나은 배터리를 만들기 위해 연구 개발을 활발히 이어갈 계획입니다. 이를 위해 생산, 품질, 판매 등 유관부서와도 적극적으로 협업할 생각입니다.

팀원들과 함께 손잡고, 차세대 배터리 소재인 LMR 양산에 성공해 포스코그룹의 미래 성장동력이 되는 것이 저희 팀의 최종 목표랍니다!