[포스코퓨처엠이 알려주는 뿌리를 찾아서] ① 양극재 편

우리 일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하며, 수천 도의 고열을 견디게 하는 기술의 바탕, 그 중심에는 언제나 ‘소재’*가 있습니다. 그렇다면, 이 중요한 소재를 누가 만들고 있을까요? 바로 포스코퓨처엠인데요! 배터리의 핵심 소재인 양극재와 음극재는 물론, 고온의 제철 공정을 가능케 하는 내화물까지. 포스코퓨처엠이 만든 다양한 소재들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데 쓰이고 있죠. <뿌리를 찾아서>는 포스코퓨처엠이 만든 주요 소재들이 어떻게 우리의 일상과 산업 속에 스며들었는지 그 발자취를 따라가 보는 이야기입니다. 첫 번째 편에서는 배터리의 핵심 소재 중 하나인 ‘양극재’의 뿌리를 따라가 봅니다.

*소재 (素材) : 어떤 것을 만드는 데 바탕이 되는 재료

배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질 네 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 이 중 ‘양극재’는 배터리의 핵심 소재로, 전체 원가에서 차지하는 비중만 해도 무려 40%에 달하죠. 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 다양한 금속으로 이뤄지며, 이 원료들의 조합에 따라 배터리의 용량과 전압, 출력이 달라지기도 합니다. 그렇다면 양극재는 어떻게 단순한 소재를 넘어 고부가가치 전략소재로 자리매김하게 되었을까요? 그 역사를 함께 살펴보겠습니다.

먼저 ‘양극재’라는 단어의 기원에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 양극재는 배터리 안에서 전자를 받아들이는 전극인 ‘양극(Cathode)’과 이를 구성하는 ‘재료(Material)’의 합성어로, 말 그대로 ‘양극을 구성하는 재료’를 뜻합니다. 단어의 어원을 살펴보면, ‘양극’을 의미하는 ‘Cathode’는 그리스어 ‘Kathodos(내려가는 길)’에서 유래했는데요. 이는 전류가 양극에서 음극으로 흐르는 특성에 기반해 붙여진 이름이라고 해요. 이 ‘양극’이라는 용어는 전자기학과 전기화학 분야에 크게 기여한 영국의 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 처음 만들었습니다.

패러데이는 양극 외에도 전기화학에 관한 다양한 용어 체계를 정립했는데요. 용매에 녹아서 전류를 흐르게 하는 물질을 ‘전해질(Electrolyte)’, 전류가 흐르는 양 끝의 접점을 ‘전극(Electrode)’, 그리고 이 전극의 산화반응이 일어나면 산화전극(Anode), 환원반응이 일어나면 환원전극(Cathode)라고 정의했습니다. 패러데이가 만든 이 용어 체계는 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다.

양극재의 기원을 알아봤으니, 이번에는 언제부터 우리 삶에 쓰이기 시작했는지 살펴볼까요? 혹시 여러분은 최초의 전지가 무엇인지 아시나요? 바로 1800년대에 등장한 볼타(Volta) 전지인데요. 볼타 전지는 금속과 전해질로 만들어진 1차 전지로, 재충전이 불가능했어요. 이때까지만 해도 ‘양극재’라는 개념은 아직 명확하지 않았답니다. 오늘날 우리가 아는 양극재가 본격적으로 등장한 건 1860년대, 프랑스에서 납축전지가 개발되면서부터예요. 이때 양극재로 납산화물(PbO₂)이 사용되면서 ‘양극재’라는 개념이 확실히 자리 잡게 되었죠.

그 후로도 양극재는 꾸준히 발전해 왔습니다. 1970년대에는 미국의 화학자 스탠리 휘팅엄이 이황화티타늄(TiS₂)을 양극재로 활용한 세계 최초의 리튬 이온 배터리를 개발하면서, 리튬 이온 배터리의 초석을 다졌습니다. 이어 1980년대에는 미국의 존 구디너프 박사가 리튬코발트산화물(LiCoO₂, LCO)을 양극재로 사용하는 구조를 제안했죠.

마침내 1991년에 이르러 소니(SONY)가 LCO 양극재를 활용한 리튬이온 배터리를 세계 최초로 상용화하며, 이 배터리가 캠코더 등 소형 전자기기에 적용되기 시작했는데요. 이 사건을 계기로 양극재는 실질적인 산업 소재로 확실히 자리매김하게 되었답니다. LCO 배터리는 기존의 납축전지나 니켈 카드뮴 배터리에 비해 높은 에너지 밀도와 안정적인 성능을 자랑해, 현재도 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 IT 기기는 물론 다양한 산업 분야에 사용되고 있습니다.

하지만 최근 전기차와 에너지저장장치(ESS) 같은 새로운 시장이 열리면서, LCO가 가진 에너지 밀도의 한계와 높은 코발트 가격 때문에 새로운 양극재에 대한 요구가 커지기 시작했습니다. 이에 코발트 함량을 줄이면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 니켈(Ni)과 안정성을 보완해 줄 망간(Mn)을 첨가한 NCM(니켈-코발트-망간) 양극재가 개발되어 상용화됐습니다. 그 뒤를 이어 NCA(니켈-코발트-알루미늄), NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 등 고출력 양극재도 만들어져, 지금까지 활발히 쓰이고 있죠.

최근에는 고용량, 고출력, 장수명, 저가(低價)를 목표로 ‘하이니켈 양극재(Hi-Ni)’, ‘LFP(리튬인산철)’, ‘LMR(리튬망간리치)’, ‘고전압 미드니켈’ 등 다양한 형태의 양극재가 쏟아져 나오고 있는데요. 그야말로 양극재의 춘추전국시대가 펼쳐졌다고 해도 과언이 아니랍니다!

지금까지 살펴본 것처럼, IT 기기부터 전기차, ESS, 드론, 전동킥보드, 의료기기, 항공 기술에 이르기까지 배터리는 이제 우리 삶 곳곳에서 꼭 필요한 존재가 되었습니다. 그중에서도 요즘 가장 주목받는 분야는 단연 전기차인데요. 주행거리와 출력 같은 성능을 좌우하는 양극재는 전기차 경쟁력을 결정짓는 핵심 요소로 자리 잡고 있어요. 그만큼 전 세계적으로도 최적의 양극재를 개발하기 위한 연구와 투자가 활발히 이뤄지고 있습니다.

이 중심에 있는 기업이 바로 포스코퓨처엠입니다! 포스코퓨처엠은 니켈 함량을 95%까지 끌어올려 용량과 출력 성능을 극대화한 울트라 하이니켈(Ultra Hi-Ni) 양극재 기술 개발을 추진하고 있는데요. 이를 통해 더 긴 주행거리를 원하는 전기차 시장의 요구에 부응할 것으로 기대됩니다. 또, 볼륨 모델을 겨냥해서는 비싼 니켈의 비중은 줄이고 전압을 높여 에너지 밀도를 최대화한 고전압 미드니켈 양극재 개발에 집중하고 있고요. 엔트리 라인업에 맞춰 기존 LFP보다 더 높은 에너지 밀도를 갖춘 고밀도 LFP 양극재 개발을 위한 TF팀도 운영 중입니다.

여기에 더해, 가격이 비싼 코발트와 니켈의 사용을 줄이고, 저렴한 망간 비중을 늘려 가격 경쟁력을 확보한 동시에 재활용성까지 높인 LMR(리튬망간리치) 양극재도 개발을 완료하고, 양산 기술까지 확보한 상태입니다.

이처럼 포스코퓨처엠은 국내 대표 양극재 생산 기업으로서, 기술 변화의 흐름에 발맞춰 배터리 소재 공급망과 최첨단 연구 인프라를 바탕으로, 엔트리부터 프리미엄 라인까지 모두 아우를 수 있는 폭넓은 양극재 포트폴리오를 구축해 나가고 있습니다.

한편, IRA*, CRMA**, 미중 무역 분쟁 등 글로벌 통상 이슈가 번지면서 특정 국가에 치우치지 않은 안정적인 공급망 구축의 중요성도 커지고 있는데요. 포스코퓨처엠은 포스코그룹 차원의 튼튼한 공급망을 바탕으로 이러한 이슈에 대응할 뿐만 아니라, 안정적인 양극재 원료를 조달하기 위한 노력도 이어가고 있습니다.

*IRA(Inflation Reduction Act, 인플레이션 감축법) : 미국의 경제와 사회에 중요한 영향을 미치는 인플레이션 완화, 기후변화 대응, 의료비 지원, 법인세 인상 등을 주요 내용으로 2022년 미국에서 제정된 법률.
**CRMA(Core Raw Materials Act, 핵심원자재법) : 유럽의 산업과 경제에 필수적인 핵심 원자재의 안정적인 공급망을 확보하고자 2023년 유럽연합(EU)이 제정한 법률.

양극재는 단순한 배터리 구성 요소를 넘어, 전기차·ESS·IT 기기 등 우리의 삶과 산업 전반을 움직이는 원동력입니다. 눈에 보이지 않는 작은 소재가, 에너지 전환이라는 거대한 변화를 가능하게 하고, 지속 가능한 미래를 설계하는 데 중요한 역할을 하고 있다는 점에서 그 가치는 더욱 크다고 할 수 있죠.

포스코퓨처엠은 양극재 분야에서 기술 개발부터 생산, 자원 순환에 이르기까지 종합적인 접근을 통해 배터리 소재 산업을 선도하고 있는데요. 단순한 소재 공급을 넘어, 새로운 기준을 제시해 나가는 포스코퓨처엠의 앞으로의 활약을 기대해 주세요!

※ 이 콘텐츠는 포스코퓨처엠 스토리 기사를 토대로 제작되었습니다.