전기차 배터리의 양대 핵심 소재인 양극재와 음극재. 하지만 다수의 기업들이 세계 최고 수준의 양극재를 생산하는 것과 달리 음극재는 2022년 기준 전 세계 생산량의 96%를 중국기업이 생산하고 있다. 국내에서 전기차 배터리용 흑연계 음극재를 생산하는 기업은 포스코퓨처엠이 유일하다. K-배터리 산업의 강건화를 이끌고 있는 포스코퓨처엠의 음극재 연구 성과와 기술 경쟁력 강화 계획을 알아본다.
포스코퓨처엠 에너지소재연구소 음극재연구센터
최태선 책임연구원
글로벌 탄소중립을 달성하려면 탄소배출량이 많은 모빌리티 분야의 탈탄소 전환이 무엇보다 중요하다. 이에 따라 유럽, 중국, 북미 등 핵심 권역을 중심으로 전기차 침투율이 빠르게 상승하고 있다. 그러나 전기차 산업이 대중화 단계로 진입하고, 각국이 목표로 한 전기차 보급률을 달성하려면 전기차의 주행거리 확대와 안전성 강화, 충전 시간 단축이 반드시 필요하다. 이를 위해서는 음극재의 성능 향상과 신소재 기술 개발을 위한 투자가 전제 되어야 한다.
음극재는 양극재, 전해질, 분리막과 함께 배터리를 구성하는 4대 소재 중 하나로, 배터리의 안전성과 수명, 충전 성능 등을 결정한다. 전기차의 주행거리와 출력을 좌우하는 양극재가 리튬이온 소스 역할을 하고, 음극재가 리튬이온을 저장·방출하면서 배터리의 충·방전이 이뤄지기 때문에 양극재와 음극재를 배터리의 양대 핵심 소재라고 부른다.
하지만 양극재는 국내 다수의 기업이 세계 최고 수준의 품질경쟁력을 갖춘 제품을 생산하고 있는 반면 전기차 배터리용 흑연계 음극재를 생산하는 기업은 포스코퓨처엠이 유일한 상황이다.
포스코퓨처엠은 현재 배터리의 천연·인조흑연을 비롯해 다양한 종류의 흑연계 음극재를 양산하고 있으며, 전기차 충전 성능을 혁신할 수 있는 실리콘 음극재 등의 제품 포트폴리오를 확대하기 위한 R&D 투자에 주력하고 있다. 미국 인플레이션감축법(IRA)으로 공급망이 재편되고 있는 북미 시장 공략을 위한 원료 가공 기술 내재화, 가격 경쟁력, 친환경성 강화를 위한 공정 기술 혁신도 이룩할 방침이다.
포스코퓨처엠이 국산화에 성공한 천연·인조흑연 음극재는 각각 원료와 공정 프로세스 등이 달라 소재의 에너지 저장 용량, 수명, 충전 성능 등에서 차이가 나타난다.
천연흑연 음극재는 광산에서 채굴한 인상흑연을 원료로 하며 내부 층상구조의 발달로 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있어 에너지 저장 용량과 가격 경쟁력이 우수하다. 한편 인조흑연 음극재는 원료인 코크스를 형상 가공한 후 고온으로 열처리해 제조하기 때문에 소재 구조의 안정성이 높고 고속 충전에 유리하다는 강점을 가진다.
전기차 배터리의 음극은 위와 같은 특성을 가진 천연흑연과 인조흑연 음극재를 혼합(blending)해 구성하는데, 전기차 배터리의 수명과 충전 성능 강화 흐름에 따라 최근에는 인조흑연 음극재에 대한 수요가 높아지고 있다.
포스코퓨처엠은 이러한 흐름에 발맞춰 인조흑연 음극재 밸류체인을 내재화하고, 독자 기술로 충전 성능이 개선된 천연흑연 음극재 제품을 개발했다. 이뿐만 아니라 일부 프리미엄 전기차용 배터리에 차세대 소재인 실리콘 음극재가 일정 비율로 사용됨에 따라 실리콘 음극재와 혼합(blending) 시 소재 성능을 극대화하고 팽창률을 저감할 수 있는 흑연계 음극재의 개발도 성공했다.
인조흑연 밸류체인·전 공정 기술 내재화
수명과 충전 성능이 우수한 인조흑연 음극재는 천연흑연 제품 대비 공정라인이 길고, 생산 과정에서 품질의 일관성을 확보하는 것이 쉽지 않다. 이에 포스코퓨처엠은 수년에 걸친 R&D 투자로 ‘분쇄 → 조립 → 흑연화 → 표면처리 → 탈철/포장’에 이르는 인조흑연 음극재 전 공정을 내재화했다.
특히 원료인 코크스를 3000℃ 이상의 고온으로 열처리하는 흑연화는 제품의 품질을 결정하는 가장 핵심 공정으로, 투입 원료의 종류와 규모 등에 따라 열처리 온도의 미세 조정 등 공정 조건을 최적화하는 기술과 노하우가 중요한데 이 또한 기술 확보에 성공하며 소재 기술력을 입증했다.
포스코퓨처엠은 공정 프로세스뿐만 아니라 Upstream 단계인 원료 확보부터 가공, 최종 소재 생산까지 전체 밸류체인도 완성해 글로벌 공급망 변화에 유연하게 대응할 수 있다.
인조흑연 음극재는 석유계·석탄계 침상코크스 등이 핵심 원료인데, 포스코퓨처엠은 포스코의 제철 과정에서 발생하는 부산물인 ‘콜타르’를 자회사(포스코MC머티리얼즈)를 통해 석탄계 침상코크스로 가공하고 이를 음극재로 제조하는 기술을 개발했다.
포스코퓨처엠은 원료-소재 생산까지의 밸류체인과 공정 기술력을 바탕으로 현재 포항에 연산 8000톤 규모의 생산기지를 구축했고, 2030년까지 생산 능력을 15.3만 톤까지 확대할 계획이다. 또 현재 활용하고 있는 에치슨 흑연화로의 설비 고도화, 연속식 흑연화로 등 차세대 공정 기술 개발을 위한 투자도 지속하고 있다.
‘고밀도 구형화’ 기술로 천연흑연의 안전성과 충전 성능 향상
포스코퓨처엠은 천연·인조흑연 음극재의 강점을 결합한 ‘저팽창 천연흑연 음극재’도 독자 개발했다. 저팽창 천연흑연 음극재는 천연흑연을 원료로 하지만 ‘고밀도 구형화’ 공정으로 소재 구조를 개선해 팽창률을 약 25% 낮추고, 급속충전 성능은 약 15% 향상시킨 것으로 인조흑연 음극재와 함께 글로벌 전기차의 안전성 강화와 충전 시간 단축에 기여하고 있다.
천연흑연 음극재의 원료이자 인편상(비닐의 조각과 같은 모양) 구조의 인상흑연은 배터리 충·방전 시 리튬이온이 이동할 수 있는 통로(edge)가 많지 않아 배터리의 출력과 충전 성능의 하락을 유발한다. 이러한 문제를 개선하기 위해 음극재 기업들은 인편상 구조의 흑연을 구형으로 만드는 ‘구형화’ 공정을 도입했다. 흑연 입자 구조를 변화시켜 리튬이온 이동 통로(edge)를 입자 표면에 골고루 배향해 리튬이온의 저장과 방출을 보다 원활히 하는 기술이다.
포스코퓨처엠이 독자 개발한 ‘고밀도 구형화’ 공정은 이러한 구형화 공정을 거친 원료의 구형화도를 더욱 높이는 기술로, 타원형·다수의 내부기공이 형성된 기존 구형흑연 보다 리튬이온 이동 통로(edge)의 균일성을 높이고 내부기공을 감소시켜 충전 성능과 안정성이 강화된 음극재를 제조할 수 있다.
실리콘과 혼합 시 성능 극대화가 가능한 ‘비코팅 천연흑연’
차세대 소재인 실리콘 음극재와 혼합(blending)해 배터리 음극 구성 시, 실리콘 음극재의 팽창 성능을 억제할 수 있는 ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’도 개발했다.
음극을 흑연계와 실리콘 음극재를 혼합해 구성하면 전기차 주행거리를 혁신적으로 늘리고 충전 시간도 단축할 수 있으나, 배터리의 충·방전이 반복되면 실리콘 팽창으로 전극 내 기계적 스트레스가 축적되어 입자 간 단락(short)이 발생해 배터리의 급격한 에너지 저장 용량 저하 현상이 일어날 수 있다.
포스코퓨처엠은 기존 천연흑연 음극재의 탄소코팅층을 제거하면 소재의 기계적 연성(ductility)* 증대로 입자 간 완충작용이 일어나 실리콘 음극재의 팽창 특성으로 인한 구조적 불안정성을 제어할 수 있다는 점을 발견했다.
*연성 : 재료가 파괴에 이르기까지 변형을 수반하는 성질
기존 천연흑연 음극재는 원료와 전해액 계면 사이에 발생하는 부반응*을 줄여 리튬이온의 저장과 방출의 효율성을 높이기 위해 소재 표면에 비정질 탄소코팅을 진행하는데, 탄소코팅된 흑연은 고온의 열처리 공정을 거치면서 기계적 경도(hardness)가 증가해 비코팅 대비 완충 능력이 떨어지게 된다.
*부반응 : 여러 가지 반응이 함께 일어날 때에 주된 반응 외의 다른 반응
포스코퓨처엠은 이러한 비정질 탄소코팅 공정을 제거해 실리콘 음극재와의 결합력을 높이고, 리튬이온 이동의 효율성까지 갖춘 ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’ 생산을 확대할 계획이다. 글로벌 음극재 시장 내 실리콘 음극재의 비중이 높아지고 있는 만큼 포스코퓨처엠의 비코팅 제품에 대한 수요도 늘어날 것으로 기대된다.
포스코퓨처엠은 고품질 실리콘 음극재를 양산할 수 있는 기술을 조속히 완성해 2030년 기준 약 3.5만 톤의 생산 능력을 확보할 방침이다. 또한 미국 IRA 등 권역별 공급망 강화 정책에 대응하고 ESG 경쟁력을 강화하기 위해 원료 확보와 가공 등 밸류체인 확대 기술 개발도 지속하고 있다.
태양광 부산물을 활용한 고용량·고효율 실리콘 음극재
포스코그룹은 향후 빠르게 성장할 실리콘 음극재 시장을 선점하고, 고객사의 소재 수요 변화에 유연하게 대응하고자 실리콘 산화물(SiOx)부터 실리콘 탄소 복합체(Si-C), 퓨어 실리콘(Pure-Si)까지 다양한 종류의 실리콘 음극재를 개발하고 있다.
실리콘 음극재는 에너지 저장 용량과 고속충전 성능이 우수하나 부피 팽창 우려가 있어 전기차 배터리용으로 채택 시 소재 구조를 안정화하려면 첨가제 투입 등 추가 조치가 필요하다. 포스코퓨처엠은 실리콘 음극재의 팽창을 억제할 수 있는 비코팅 저온소성 천연흑연 음극재 기술을 보유하고 있어 제품 포트폴리오를 안정적으로 확대할 수 있을 전망이다.
포스코퓨처엠은 ‘태양광 산업 부산물’을 원료로 한 실리콘 음극재 생산 기술도 개발하고 있다. 태양광 패널은 고순도 실리콘 웨이퍼를 가공해 생산하는데 이 과정에서 순도가 높은 실리콘 부산물이 발생한다. 해당 부산물을 재활용하면 품질과 가격 경쟁력을 갖춘 음극재를 생산할 수 있으며, 자원 순환을 통한 환경 영향 저감효과도 창출할 수 있다.
다만 실리콘 부산물을 바로 음극재 원료로 활용하기에는 전기전도도가 낮고 입자 형상이나 크기가 일정하지 않기 때문에 부산물의 형상 개조와 기능성 물질과의 복합화 등 부산물을 적합 원료로 가공하는 기술 개발에 주력하고 있다. 부산물을 원료화해 생산한 실리콘 음극재는 이론상 1,900 mAh/g 이상의 초기 용량을 가져 높은 에너지 저장 용량의 배터리가 필요한 프리미엄 전기차용 소재로 적합하다.
구형화·고순도화 기술 내재화로 천연흑연 음극재 밸류체인 강화
포스코퓨처엠은 천연흑연 음극재 생산을 위한 구형화·고순도화 기술을 개발해 원료 채굴부터 최종 소재 생산까지의 전체 밸류체인을 내재화할 계획이다.
천연흑연 음극재는 광산에서 채굴한 인상흑연을 ‘구형흑연’으로 가공(구형으로 형상 제어 → 순도를 99.9% 이상으로 높이는 공정)하는 공정을 거친다. 하지만 전 세계에 공급되는 ‘구형흑연’의 대부분을 중국 기업들이 생산하고 있어 미국 인플레이션감축법(IRA) 등 자국 중심 공급망 구축 흐름에 대응하려면 기술 내재화를 통한 공급망 자립화가 반드시 필요하다.
포스코퓨처엠은 중국산 원료 대비 고품질·고순도의 구형흑연을 생산할 수 있는 기술을 개발하고 공정 라인을 구축하고 있다. 이를 통해 원료 공급망을 다변화하고 IRA가 규정한 적격 광물 지위를 획득해 북미 시장에 천연흑연 음극재 공급을 확대할 방침이다.
이뿐만 아니라 구형화·고순도화 공정에서 발생하는 환경 영향을 저감할 수 있는 기술도 개발하고 있다. 중국 기업들의 경우 구형흑연 제조 시 불산을 활용하는데, 인체와 환경에 유해해 국내에서는 이를 제한하고 있다. 포스코퓨처엠은 불산 투입 없이 흑연을 가공하는 기술로 토양 등 환경오염을 방지하고 공정 폐기물 정화 시 발생하는 비용도 절감할 계획이다.
폐배터리 리사이클링을 통한 흑연 추출 기술 개발
포스코퓨처엠은 폐배터리에서 흑연을 추출해 재활용하는 기술도 개발하고 있다. 리사이클링 기술을 완성해 양극재 사업처럼 친환경 자원 순환체계(Closed loop)를 완성할 계획이다.
‘도시광산’이라고 불리는 폐배터리 리사이클링 사업은 편재성이 큰 배터리 핵심 원료들을 광산 채굴 과정 없이 확보할 수 있어 전기차 밸류체인 전반의 경제성과 친환경성을 모두 높일 수 있다.
포스코그룹도 폐배터리 리사이클링 사업회사 ‘포스코HY클린메탈’을 중심으로 폐배터리와 소재 스크랩에서 리튬, 니켈, 코발트 등 유가금속을 추출하는 사업을 전개하고 있다. 재활용된 유가금속을 포스코퓨처엠이 공급받아 고품질·환경친화적 양극재 제품으로 생산할 계획이다.
그러나 음극재 원료인 흑연을 재활용하는 기업은 아직 없다. 음극재는 양극재 대비 저가이며, 리튬 등 유가금속을 추출하고 난 폐슬러지 내 흑연 뿐만 아니라 분리막, 셀(Cell) 케이스, 구리 집전체 등 다양한 부산물들이 함께 섞여 있어 리사이클링의 기술적 장벽이 높기 때문이다.
포스코퓨처엠은 유가금속이 추출된 폐슬러지를 2차로 리사이클링해 천연흑연 음극재용 흑연을 추출해 재활용하는 기술을 개발하고 있다. 미국 지질조사국에 따르면, 흑연은 튀르키예, 브라질, 마다가스카르, 탄자니아 등에 다량 매장되어 있고, 중국이 글로벌 생산량의 대부분을 차지하고 있다. 따라서 포스코퓨처엠이 폐배터리 내 흑연을 재활용하는 기술의 상용화와 사업화에 성공한다면 원료 내재화를 통한 음극재 밸류체인 강화, IRA/CRMA 등 공급망 재편 흐름에 효과적으로 대응하고, 음극재 사업의 친환경성 또한 높일 수 있을 것이다.
포스코퓨처엠은 그룹 R&D 역량과 인프라를 결집해 글로벌 전기차 시장, ESS 시장을 선도할 수 있는 음극재 기술을 지속 개발해 나갈 계획이다. 구형화·고순도화 공정 내재화에도 성공한다면 IRA 등 권역별 공급망 강화 정책에도 전략적으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 음극재 사업에 있어 지금까지 이룬 성과에 만족하지 않고, 다각도의 R&D 시도를 지속해 혁신적 소재·공정 기술 개발로 K-배터리 산업 강건화에 기여할 것이다.