[3분 순삭 유튜브] ‘인터배터리 2024’에서 맞춰본 포스코그룹의 이차전지 풀밸류체인 퍼즐

지난 3월 6일부터 8일까지 사흘간 서울 코엑스에서 열린 ‘인터배터리 2024’는 세계 배터리 산업의 축소판이라고도 불리는 국내 최대 배터리 산업 전문 전시회인데요. 올해로 12회를 맞은 이번 전시에는 전 세계 18개국 790여 개의 유수한 배터리 소재 기업이 참가해 지난해보다 대거 확대된 역대 최대 규모를 자랑했습니다.

그중에서도 가장 눈에 띈 기업은 단연 포스코그룹이었는데요. 포스코퓨처엠이 주축이 돼 양·음극재 사업을 중심으로 선보였던 작년과 달리, 올해는 포스코홀딩스가 키를 잡고 포스코, 포스코인터내셔널, 포스코퓨처엠을 아우르는 그룹 이차전지소재 사업 풀밸류체인을 관람객들에게 소개해 큰 호응을 얻었습니다. 또, 현장에 가장 크게 자리한 포스코그룹 부스에서는 사업별 프로세스를 모형으로 만들어 전시하고, 전시관 중앙에 배치한 영상용 미디어월을 통해 글로벌 네트워크와 향후 로드맵까지 선보이는 임팩트 있는 구성으로 관람객들의 이해를 도왔습니다.

지금부터 안 가도 가본 듯, 현장을 그대로 담아낸 랜선 전시회를 통해 포스코그룹 이차전지소재사업의 경쟁력과 미래 비전을 자세히 만나보도록 할 텐데요. 일일 가이드로 나선 포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 인터배터리 현장으로 떠나 보시죠!

순환하는 원형 구조물 위에 전시된 모형 중에서 수많은 관람객의 시선을 끈 건 리튬 사업을 소개하는 코너였는데요. 포스코그룹은 염수·광석리튬과 폐배터리 리사이클링 등을 기반으로 리튬 자급력을 키워 글로벌 이차전지소재 기업으로서 경쟁력을 강화해 나갈 것이란 계획을 밝힌 바 있기에 이번 전시에서 리튬 특별 부스를 비중 있게 준비해 관람객들에게 선보였습니다.

특히 올해는 포스코그룹이 리튬을 자체 생산하는 원년으로, 기념비적인 한 해가 될 것으로 예상하는데요. 가장 먼저 염수리튬과 광석리튬을 기반으로 한 수산화리튬사업의 진행 상황과 향후 계획을 알아봅니다.

2018년 아르헨티나 옴브레 무에르토 리튬 염호 광권을 인수한 포스코그룹은, 2022년부터 아르헨티나에 염수리튬 1단계 상용화 공장 상·하공정을 건설하고 있는데요. 상용화 공장이 올 상반기 준공되면 2만 5천 톤 규모의 수산화리튬을 생산하겠다는 계획입니다.

탄산리튬을 생산하는 2만 5천 톤 규모의 2단계 상공정도 지난해 6월 착공해 2025년 준공을 목표로 하고 있습니다. 주목할 만한 것은, 아르헨티나 현지 상공정에서 생산한 탄산리튬을 올해 광양만 율촌1산업단지에 착공한 2단계 하공정으로 가져와 수산화리튬으로 전환하겠다는 로드맵인데요. 이렇게 생산한 수산화리튬을 포스코퓨처엠 양극재 공장 등에 적시 공급하는 등, 탄탄한 공급망 구축을 통해 글로벌 이차전지 소재 공급사로서 우위를 선점해 나갈 것입니다.

광석리튬은 포스코홀딩스가 지분을 투자한 서호주 포스코 필바라 미네랄스社의 광산에서 채굴해 오고 있는데요. 광산에서 채굴한 광석리튬을 갖고 불순물을 제거하고 분리하는 정광과 선광 작업을 거쳐 스포듀민을 만들면, 선박을 이용해 지난해 11월 준공한 포스코필바라리튬솔루션 1공장으로 연간 최대 31만 톤의 스포듀민을 공급해 오는 방식이죠. 이후 포스코필바라리튬솔루션이 갖추고 있는 리튬 정제시설에서 하공정 작업을 거치면 수산화리튬이 만들어 집니다.

현재는 램프 업(생산량 확대)을 진행 중인 1공장과 별개로 비슷한 규모의 2공장도 건설 중에 있는데요. 연내 2공장이 완공되면 전기차 약 100만 대를 생산할 수 있는 연간 4만 3000톤 규모의 이차전지 소재용 수산화리튬 생산 체제를 갖추게 됩니다. 나아가 캐나다 유망 리튬광산사들과의 파트너십을 확대해 2030년 광석리튬 기반 수산화리튬 생산량을 22만 톤까지 확대할 예정입니다.

포스코그룹은 아르헨티나 염호와 호주 광산에서 각각 생산한 염수·탄산 리튬과 광석리튬을 국내로 조달해 수산화리튬 생산량을 꾸준히 늘릴 계획이며, 장기적으로는 북미에서 유전염수, 지열리튬, 점토리튬 등의 비전통 리튬 자원까지 개발해 사업 영역을 확대해 나갈 계획인데요. 이렇게 확장한 밸류체인을 통해 2030년까지 리튬을 약 42만 3000톤 확보하고 글로벌 톱3 리튬 생산기업으로 도약하겠다는 포부입니다.

니켈은 전기차의 에너지 밀도와 주행거리를 결정짓는 양극재의 핵심원료입니다. 니켈 원광은 광상에 따라 황화광과 산화광 두 가지로 나뉘는데요. 호주, 캐나다 등 극지방에 주로 매장된 황화광은 품위가 높아 이를 갖고 순도 99.8% 이상인 Class1 니켈로 만들어 양극재 원료로 활용하기에 용이합니다. 그에 반해 산화광은 인도네시아 같은 동남아에 매장돼 있어 순도가 낮은 Class2 니켈로 가공돼 주로 스테인리스 등 합금철을 만드는 데 사용되고 있죠.

하지만 최근에는 황화광을 곳곳에서 장기간 채굴함에 따라 자원 고갈 문제와 이에 따른 품위 저하 문제까지 잇따르고 있는데요. 그 해법으로 산화광을 Class1 니켈로 전환해 양극재 소재로 쓰이도록 하는 새로운 프로젝트들이 세계 각국에서 시도되고 있습니다.

산화광은 리모나이트와 사프로나이트 두 종류로 구분됩니다. 사프로나이트를 니켈 합금철과 건식제련 공정을 통해 니켈 함유량이 70% 이상인 니켈 매트로 만들고, 리모나이트는 고압산침출법(HPAL)이라는 습식 제련 공법을 통해 니켈이 40~60% 함유된 니켈 MHP로 만드는데요. 이 두 가지 니켈 중간재에 또다시 정련 과정을 거치면 결과적으로 양극재에 쓰이는 황산니켈이 만들어지는 것입니다.

전 세계 니켈 매장과 생산 현황을 살펴보면, 인도네시아와 호주 각각에 약 2100만 톤, 브라질에 1600만 톤, 러시아에 750만 톤이 매장된 것으로 추산되는데요. 그중 채굴 및 생산된 양을 보면 인도네시아가 160만 톤으로 가장 많습니다. 포스코그룹은 다양한 채널을 통해 니켈 확보에 초점을 맞추고 있는데요. 그중에서도 특히 인도네시아에서 대량의 니켈을 확보한 후 한국으로 공급해 와 배터리용 황산니켈을 생산할 계획입니다.

전기차 시장이 확대되면서 배터리 수요도 늘고 있습니다. 동시에 배터리 핵심원료인 리튬과 니켈, 코발트 등을 확보하려는 기업 간 경쟁도 커지고 있죠. 하지만 이 원료들은 특정 국가들에 집중 매장돼 있거나 가격이 높아 안정적인 공급망 확보가 쉽지 않은데요.

이에 따라 폐배터리에서 원료를 추출하는 리사이클링 사업이 전 세계적으로 주목받고 있습니다. 폐전기차에서 나온 폐배터리를 파쇄하고 분리한 후 리튬이나 니켈, 코발트 등의 원료를 추출해 이를 양극재 등 배터리 소재 생산에 재활용하는 방식인데요. 해당 방식으로 원료 추출 시, 광산 채굴 과정에서 발생하는 환경 오염을 해소할 수 있을 뿐 아니라, 원료 공급 부족 문제도 해결할 수 있는 장점이 있죠.

포스코그룹은 이차전지 리사이클링 전문 기업 포스코HY클린메탈을 주축으로 폐배터리 리사이클링 사업을 이어오고 있습니다. 2022년 8월 폴란드 현지에 설립한 PLSC 공장에서 폐전기차에서 나온 폐배터리를 수거해 파쇄 및 분리하여 블랙 파우더를 만드는 상공정 작업을 진행하고 있는데요. 이렇게 생산한 블랙 파우더를 광양에 있는 포스코HY클린메탈로 가져와 침출, 용매 추출, 결정화하는 하공정 절차를 거치면 전기차용 배터리에 적합한 원료인 황산 니켈·코발트·망간·리튬,구리 등이 만들어집니다.

포스코HY클린메탈은 현재 포스코퓨처엠 광양 양극재 공장 인근에 있어 양극재 생산에 필요한 원료를 포스코퓨처엠에 안정적으로 공급하고 있는데요. 따라서 리사이클링 사업은, 포스코그룹 이차전지소재사업의 연결고리이자 순환고리라 할 수 있죠. 포스코그룹은 앞으로 북미를 비롯한 다른 여러 국가에도 리사이클링 사업 진출 계획을 갖고 있는데요. 2030년까지 연산 7만 톤의 재활용 원료 생산 능력을 갖출 계획입니다.

양극재는 전기차의 주행거리, 배터리의 안정성·수명 성능 등을 결정해 이차전지를 이루는 가장 중요한 소재라고 할 수 있습니다. 이러한 양극재를 만들기 위해선 리튬 산화물과 니켈, 코발트, 망간 등의 기타 원료를 배합해 양극재가 되기 바로 이전 단계의 중간재인 전구체로 만드는 과정을 거쳐야 하는데요. 이 과정에서는 여러 가지 서로 다른 이온을 수용액 또는 비수용액에서 함께 가라앉혀 침전 물질을 만들어 내는 공침법을 주로 사용해 제조합니다. 이렇게 제조된 전구체와 리튬을 가지고 고온에 굽는 소성 작업을 거치면 비로소 양극재가 만들어지게 되는 것이죠.

포스코퓨처엠은 니켈, 망간을 활용해 총 3가지 이상 원료로 구성한 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 등의 삼원계 양극재를 모두 생산하는 기업으로, 전기차 소재 시장에서 그 경쟁력을 입증하고 있습니다. 특히 니켈 함량이 커질수록 배터리 에너지 밀도와 전기차 주행거리가 늘어난다는 장점이 있는데요. 포스코퓨처엠은 지속적인 R&D 끝에 니켈 함유량 86% 이상인 하이니켈 양극재 NCM86 생산에 성공한 바 있으며, 현재 이를 주력 제품으로 삼고 양산해 오고 있습니다.

양극재는 현재 한국에 있는 구미·광양·포항 공장에서 양산하고 있으며 이 밖에도 중국 저장성 퉁샹시에 있는 절강포화에서도 생산하고 있습니다. 북미의 경우 2022년 7월 캐나다 퀘벡에 미국 자동차 회사인 GM과 함께 양극재 합작사 얼티엄캠을 설립했으며 올해 하반기 준공을 앞두고 있는데요. 이 외에도 장기적으로는 세계 각국으로 양극재 사업 영역을 펼쳐 나갈 예정입니다.

양극재와 함께 이차전지의 핵심 소재인 음극재는 우리가 흔히 아는 연필심인 흑연을 이용해 만듭니다. 먼저 천연흑연을 생산하기 위한 기초 과정으로는 흑연 광산에서 광석을 채굴해야 하죠. 채굴 후 선광 작업을 거쳐 순도를 높인 인상흑연에 또다시 탈철 공정 등을 거치면 동그란 구형흑연이 생산되는데요. 이 구형흑연을 고온에 굽는 소성로에 넣으면 순도 99.9%에 가까운 천연 흑연이 만들어집니다.

인조흑연은 철강을 만드는 과정에서 나오는 부산물인 콜타르를 주원료로 만들어지는데요. 콜타르의 불순물을 제거하고 고온 열처리하면 뾰족한 침상코크스가 만들어지게 됩니다. 마지막으로 침상코크스에 열처리를 하면 인조흑연 음극재가 완성됩니다.

천연흑연과 인조흑연은 음극재 소재로 가장 많이 쓰이는 제품이나, 최근에는 흑연의 단점을 보완하는 차세대 제품, 실리콘 음극재를 함께 섞어 만들기도 하는 추세입니다. 하지만 실리콘 음극재는 안정성이 다소 떨어진다는 문제가 있는데요. 이에 따라 SiOx나 실리콘 카본 같은 복합 제품으로 만들어서 에너지 밀도가 높은 실리콘 음극재 제품의 장점을 극도로 활용할 수 있게 제품화하고 있습니다.

포스코퓨처엠은 국내에서 유일하게 천연흑연과 인조흑연을 모두 생산하는 기업으로, 음극재 공급망을 탄탄하게 구축해 오고 있습니다. 우선 천연흑연은 아프리카 탄자니아 소재 마헨지 광산과 호주 등지에서 채굴한 인상흑연을 한국 세종 공장으로 공급해 와 여러 공정을 거친 뒤 천연 흑연으로 만들고 있습니다. 인조흑연은 원재료인 침상코크스를 자회사 포스코MC머티리얼즈를 통해 자체 조달하며 국산화에 성공한 바 있죠. 차세대 음극재인 실리콘 음극재는 현재 활발한 연구개발을 진행 중이며 향후 북미나 유럽 등에도 사업 영역을 확대할 계획입니다.

현재 전기차에 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온전지의 단점을 보완하며 새롭게 등장한 전고체 배터리가 차세대 배터리 소재로 주목받고 있습니다. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도를 자랑하지만 에너지 밀도가 높으면 이차 열 방출 발생으로 화재나 폭발 반응이 일어날 위험이 있는데요. 바로 이런 위험성을 차단하고자 양극과 음극 사이 이온을 전달하는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체해 만든 것이 전고체 배터리입니다. 고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머 세 가지 종류로 나눌 수 있는데 이중 황화물계 전해질이 가장 높은 이온전도도를 보유한 것은 물론, 높은 에너지 밀도까지 구현할 수 있어 가장 각광받고 있습니다.

또 다른 차세대 배터리 소재는 리튬메탈 음극재입니다. 실리콘 음극재와 비슷하게 흑연 대비 10배 이상의 에너지 밀도를 자랑하지만, 그 잠재력은 훨씬 크다고 평가받고 있죠. 리튬은 지구에서 가장 가벼운 금속으로, 이런 리튬을 사용해 배터리를 만든다면 무게가 가벼워져 전기차의 연비 향상에 도움이 되기 때문에 리튬메탈 음극재는 차세대 음극재 시장의 끝판왕으로 불리고 있습니다.

포스코그룹은 2022년 2월 설립한 포스코JK솔리드솔루션을 통해 전고체 배터리를 이루는 황화물계와 산화물계 전해질을 모두 양산하고 있는데 특히 황화물계 전해질을 주력으로 생산하고 있습니다. 아울러 2006년 대만에서 설립된 전고체 배터리 제조 기업인 대만의 프롤로지움과 손잡고 전고체 배터리 전용 양극재와 실리콘 음극재, 고체전해질 공동 개발 및 글로벌 공급 체계를 구축해 갈 방침입니다.

또한 포스코그룹은 차세대 음극재 끝판왕인 리튬메탈 음극재를 양산하기 위한 기술적인 장점을 고루 갖추고 있는데요. 바로, 철강 공정에서 쌓아온 노하우를 살려 폭은 넓고 두께는 얇은 극박광폭의 리튬 메탈을 제조하는 데 유리하다는 것입니다. 해당 기술을 지속해서 연구 개발하겠다는 계획인데요. 이 연구 개발은 포스코홀딩스 산하의 미래기술연구원에서 현재 활발하게 진행 중입니다.

전기차 그리고 배터리에, 포스코그룹에서 만드는 철강 제품이 다양하게 사용되고 있는데요. 그 세 가지 제품을 소개합니다.

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