포스코그룹은 글로벌 경기 침체를 돌파하기 위해 초격차 기술 경쟁력과 미래를 여는 소재, 초일류를 향한 혁신의 비전으로 한 걸음씩 나아가고 있다.
전 세계적으로 전기차 시장 성장이 일시적으로 둔화되는 ‘캐즘’ 상황이 지속되고 있는 가운데 포스코그룹은 에너지소재 사업 경쟁력을 확보하기 위한 차별화된 혁신 기술 개발에 주목하고 있다. 국내에서 유일하게 전기차 배터리의 핵심 소재인 양·음극재를 동시에 생산하는 포스코퓨처엠이 그 중심에 있다.
이번 특집 기획에서는 포스코그룹의 양·음극재 기술 개발 로드맵과 원료-소재-리사이클링에 이르는 공급망 구축 성과를 통해 에너지소재 사업의 경쟁력 강화 전략을 알아본다.
미래 모빌리티의 중심은 기존의 내연기관에서 전기 모터로 옮겨가고 있다. 전기차로의 대 전환은 에너지를 담는 부품인 배터리의 혁신과 맞닿아 있다. 그리고 배터리의 세대교체는 핵심 소재인 양극재와 음극재의 발전이 이끌고 있다. 포스코퓨처엠은 더 멀리 이동하고, 더 빠르게 충전하고, 더 경제적인 전기차를 만들기 위한 핵심 소재, 차세대 양극재와 음극재 개발에 매진하고 있다.
▲포스코퓨처엠이 인터배터리2025에서 전기차 캐즘을 넘어서기 위한 양·음극재 기술 로드맵과 그룹 차원의 공급망 구축 성과를 알렸다. 포스코퓨처엠 부스에서 관람객들이 다양한 양·음극재 제품을 살펴보고 있다.
포스코퓨처엠은 더 멀리 이동하는 전기차를 만들 수 있도록 니켈 함량을 95% 이상으로 높여 에너지 밀도를 극대화한 울트라 하이니켈(Ultra Hi-Ni) 단결정 양극재 기술 개발을 추진 중이다. 단결정 양극재는 원료를 하나의 입자(single-crystal)로 결합해 배터리의 열안정성과 수명을 높이는 제품으로 주행거리 증대가 필요한 프리미엄급 전기차에 적용된다. 포스코퓨처엠은 2026년까지 이 제품의 양산기술을 확보할 계획이다. 또한 흑연계 음극재 대비 저장용량을 약 5배 높일 수 있는 실리콘음극재(Si-C)는 지난해 5월부터 데모플랜트를 가동했고 2027년 양산에 나설 계획이다.
포스코퓨처엠은 충전 속도를 높여 전기차 이용자들의 편의를 증대시키는 저팽창 천연흑연 음극재도 개발하고 있다. 포스코퓨처엠이 자체개발해 글로벌 자동차사에 공급하고 있는 이 제품은 소재구조를 판상형에서 등방형으로 개선해 리튬이온의 이동 속도를 높이고 부피팽창을 줄인 것으로, 성능개선을 위한 지속적인 연구개발을 통해 충전 시간을 기존 대비 30% 단축할 수 있는 제품을 2027년부터 양산할 계획이다.
▲원료, 양극재, 원통형 배터리 사진(왼쪽부터 리튬, 원통형 배터리, 니켈, 양극재, 코발트)
전기차 가격을 낮춰 대중화를 이끌 더 저렴한 소재로는 LFP(리튬인산철)외에도 LMR(리튬망간리치), LMFP(리튬망간인산철), 고전압 미드니켈 단결정 양극재 등의 개발도 추진 중이다. 특히 LMR 양극재는 니켈과 코발트의 비중은 낮추고 망간을 높여 가격 경쟁력과 성능을 높인 제품으로, 리사이클링 고려시 LFP와 가격은 유사한 수준이지만 에너지 밀도는 최대 30% 높일 수 있기 때문에 시장성이 있다. 퓨처엠은 올해 LMR양극재 양산기술을 확보한다는 목표다.
아울러 니켈 함량을 약 60%로 낮췄지만 고전압을 적용해 에너지 밀도를 높여 스탠다드급 전기차에 활용할 수 있는 고전압 미드니켈(Mid-Ni) 단결정 양극재도 함께 개발 중이다.
포스코그룹은 포스코홀딩스 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST), 포스텍 등 그룹 내 연구 인력과 인프라를 결집해 차세대 소재와 공정기술 개발도 추진하고 있다. 전고체전지의 핵심 소재로 전해액 누액에 따른 화재, 폭발 위험을 차단하는 고체전해질이 대표적이다. 포스코그룹은 전고체전지용 고체전해질 사업 경쟁력을 선점하고자 2022년 2월 디스플레이 소재·부품 전문 기업인 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 포스코JK솔리드솔루션을 합작 설립하고, 연간 24톤의 황화물계 고체전해질을 생산할 수 있는 공장을 준공했다. 해외에서는 2006년 대만에서 설립된 전고체전지 제조 기업인 프롤로지움에 지분을 투자, 공동연구 협약을 맺고 고체전해질 및 고용량양극재, 실리콘음극재 등 차세대 소재 기술 개발을 확장해 나가고 있다.
추가적으로 황화물계 고체전해질 원가의 40% 이상을 차지하는 원료인 황화리튬 제조기술을 내재화하여 ’28년 상용화할 예정이다. 경쟁사의 고가 무수수산화리튬 및 고순도 황화수소를 사용하는 공정대비 리튬생산공정 중간물인 저가 황산리튬과 포스코퓨처엠의 폐미분을 원료로 사용해 높은 원가 경쟁력을 보유하고 있어, 고객사의 높은 관심을 받고 있다.
포스코그룹은 도심항공교통(UAM) 등 미래 모빌리티 소재로 주목받고 있는 리튬메탈 음극 기술 개발에도 나서고 있다. 리튬메탈 음극은 부피당, 무게당 에너지 밀도가 높아 배터리가 사용하는 공간을 줄일 수 있고, 경량화를 통해 전기차의 전비를 향상할 수 있다는 장점이 있어 차세대 음극재로 주목받는 소재다.
포스코홀딩스는 폭 600mm 이상의 대면적 제품을 제조할 수 있는 리튬메탈 음극 생산 파일럿 플랜트 설계를 마친 상태로 2025년 상반기 내 공정 구축을 완료할 계획이다. 또한 포스코의 독자적인 기술력인 롤 투 롤(Roll to Roll) 공법을 적용한 리튬메탈 음극재 제조 기술을 기반으로 리튬메탈 음극재의 상용화를 계획하고 있다.
순도가 높고 불순물이 적은 아르헨티나 염호를 보유하고 있는 포스코그룹은 리튬 정제 기술력도 갖추고 있다. 포스코홀딩스는 염수에 용해된 리튬을 선택적으로 추출해 에너지 소비량을 줄이고 환경영향을 최소화한 직접리튬추출법(DLE, Direct Lithium Extraction)과 순도 99.9% 이상의 이차전지용 고순도 니켈을 만드는 니켈 新습식정제 공정 기술, 폐기물 발생과 탄소 배출을 줄인 POS-Pyrocycle(건식 리사이클링 기술) 등 개발을 추진 중이다.
포스코퓨처엠은 예측하기 어려운 사업환경 속에서도 향후 전기차 시장의 성장에 차질없이 대응해 국내·외 투자를 지속하고 있다. 양극재의 경우 포스코퓨처엠이 광양(9만톤), 포항(6만톤), 중국 절강포화 합작공장(2.5만톤)을 포함해, 총 연산 17만 5천 톤 생산체제를 갖추고 있다.
포스코퓨처엠과 GM은 2022년 5월 캐나다 합작사인 얼티엄캠을 설립하고 퀘벡주에서 연산 3만t 규모의 양극재 공장 건설을 진행해왔고, 올해 포항에 연산 4만 6000톤 규모의 양극재 공장과 광양에 연산 5만 2500톤 규모로 NCA 양극재 전용공장을 준공하는 등 2026년에는 39만 5천톤의 양극재 생산능력을 갖출 계획이다.
포스코퓨처엠은 국내 유일의 흑연계 음극재 생산기업으로, 세종 천연흑연 음극재 공장에서 글로벌 고객사에 제품을 공급하고 있으며, 지난해 포항에서 인조흑연 음극재 양산도 시작했다. 포스코퓨처엠은 2026년까지 11만 4천톤의 생산능력을 갖출 계획이다. 최근 중국에 대한 음극재 공급망 의존도가 높은 상황에서 포스코퓨처엠은 국내 유일의 흑연계 음극재 생산 기업으로 국내 배터리 산업의 공급망 안정화에 기여할 것으로 기대된다.
또한 포스코퓨처엠은 FEOC(해외우려기관)*가 아닌 공급망을 통해 수산화리튬을 그룹내에서 안정적으로 조달하여 미국시장에서의 경쟁력을 더욱 높일 수 있게 됐다. 미국의 인플레이션감축법(IRA)에 따라 2025년부터 중국 등 미국이 FEOC로 지정한 곳에서 채굴하거나 가공한 광물을 활용하면 세액공제를 받을 수 없어, 미국시장에 판매하는 전기차 배터리의 경우 FEOC 외 공급망 구축이 필수적이다.
*FEOC(Foreign Entity of Concern) : 해외 기관 중 해외 우려국 정부의 관할에 속하거나 해외 우려국 정부에 의해 소유, 통제, 지시를 받는 기관. 미국의 인플레이션감축법(IRA)에 따른 친환경차 세액공제 조항에서는 2014년 12월 31일 이후 해외우려기관에서 추출·가공·재활용한 광물, 제조·조립한 부품이 들어간 배터리를 탑재한 친환경차는 세액공제 혜택에서 제외된다.
▲포스코그룹 광양 에너지소재 콤플렉스 전경.
천연흑연 음극재는 포스코인터내셔널과 포스코퓨처엠이 공급망을 더욱 강화하고 있다. 포스코인터내셔널은 2023년 5월과 2024년 9월, 호주 광업기업 블랙록마이닝(Black Rock Mining)의 자회사 탄자니아 파루 그라파이트(FARU Graphite)와 천연흑연 25년 장기 공급 계약을 체결한바 있다. 포스코퓨처엠도 2024년 3월 호주 광산업체 시라 리소스(Syrah Resources)와 아프리카 모잠비크 광산에서 채굴한 흑연을 연간 최대 6만톤까지 공급받는 계약을 체결해 흑연 공급망을 다변화했다. 리사이클링의 경우, 포스코그룹은 폴란드PLSC에서 배터리 스크랩과 폐배터리를 수거·분쇄해 가루형태의 중간 가공품(블랙매스)을 생산하고 전남 광양에 위치한 포스코HY클린메탈에서 리튬•니켈•코발트를 추출하고 있다.
▲포스코그룹 에너지소재 밸류체인 영상
포스코그룹은 아르헨티나 리튬염호와 호주 리튬광산, 인도네시아 니켈제련 사업, 아프리카 흑연 광산 개발 등의 투자로 우량 자원을 적극적으로 확보함으로써 안정적인 자원 공급망을 구축하고 사업 역량을 확대하고 있다. 포스코그룹은 앞으로도 전기차 캐즘 시기를 경쟁력 제고의 기회로 활용해 우량 자원을 선제적으로 확보함으로써 에너지소재 사업 경쟁력을 강화해 나갈 방침이다.