글로벌 공급망 개편·경기 침체 등으로 전기차 산업 성장 둔화에 대한 우려가 커지는 가운데, 포스코퓨처엠은 R&D 투자를 통한 소재 기술 고도화 및 제품 포트폴리오 확대로 전기차 산업의 지속가능한 성장을 이끌 계획이다. 글로벌 전기차 시장에 대응하는 포스코퓨처엠의 차세대 양극재 기술과 미래 비전을 살펴본다.
포스코퓨처엠 에너지소재연구소 양극재연구센터
박혜정 책임연구원
글로벌 전기차 시장의 지속가능한 성장 조건
글로벌 전기차 시장은 2017년부터 2022년까지 연평균 49%씩 성장하며 고성장기를 지나왔다. 이는 전 세계가 탄소중립 달성 목표 하에 정책적으로 전기차 산업 성장을 독려하고, 완성차·배터리·소재 기업들의 R&D·설비 투자를 발 빠르게 진행한 결과라고 할 수 있다.
그러나 최근 전 세계적으로 전기차 수요 증가세가 둔화되고, 완성차 업체들의 재고가 증가하면서 전기차 산업이 *캐즘(Chasm)에 빠졌다는 우려가 제기되고 있다.
*캐즘(Chasm) : 새롭게 개발된 제품이나 서비스가 대중에게 받아들여지기 전까지 겪는 침체기
SNE Research에 따르면, 2023년 11월까지 전 세계에 등록된 전기차 대수는 12,427,000대로 이는 전년 동기 대비 38.6% 증가한 수치이다. 2022년 전기차 판매량이 전년 대비 약 57% 증가했다는 점을 감안하면 성장세는 둔화한 것이다.
글로벌 전기차 시장 성장세가 주춤한 이유는 다양하다. 우선 글로벌 전기차 시장의 가파른 성장으로 침투율이 약 16%를 돌파했고, 전기차 성능 향상과 소비자들의 전기차 선호도가 증가했음에도 여전히 충전 인프라가 부족한 상황이다. 또한, 글로벌 보호무역주의 확산으로 인한 광물 · 원료 공급망 개편, 美 자동차 노조의 장기간 파업 등도 전기차 산업 성장세 둔화에 영향을 미쳤다.
그러나 글로벌 전기차 수요의 일시적 둔화를 가져온 핵심 요인은 전기차에 대한 소비자들의 수용도가 높아졌음에도 여전히 높은 전기차 가격과 한정적 제품 라인업에 있다. 결국 전기차 대중화와 수요 회복을 위해서는 전기차 모델이 다양해져야 한다. 그리고 이를 위해서는 배터리, 특히 양극재 성능 다각화가 핵심적으로 필요하다.
포스코퓨처엠은 현재 주력 생산하는 하이니켈 삼원계 양극재 기술 경쟁력을 공고히 함과 동시에, 지속적인 R&D 투자로 Entry급부터 Premium급 전기차용 양극재까지 제품 포트폴리오를 확대해 전기차 산업의 지속가능한 성장을 주도할 계획이다.
전기차 배터리의 양극은 양극활물질이라고도 불리는 양극재와 도전재·바인더 등이 혼합된 슬러리를 알루미늄으로 제조한 극판에 도포해 제조하는데, 배터리 원가의 40% 이상을 양극재가 차지하고 있으며 양극재의 에너지 밀도가 전기차의 주행거리를, 구조적 안정성이 배터리의 안정성·수명 성능 등을 결정해 가장 중요한 소재라고 할 수 있다.
그리고 이러한 양극재는 리튬·니켈·코발트·망간·철 등 구성 원료(금속산화물)에 따라 성능이 결정되기 때문에 포스코퓨처엠은 핵심 원료의 함량 조절·他 원료 및 금속으로 대체·소재 구조 개선 등 기술 혁신을 통해 고객들에게 맞춤형 소재 솔루션을 제공할 계획이다.
포스코퓨처엠의 양극재 기술 로드맵
● 하이니켈 단결정 기술 고도화로 Premium 시장 장악
포스코퓨처엠은 하이니켈 삼원계 양극재의 니켈 비중 극대화·단결정 적용 확대를 지속 추진해 Premium급 전기차 양극재 시장 점유율을 지속 확대해 나갈 방침이다. 1세대 양극재이자 리튬과 코발트로만 구성된 LCO 양극재에서 가격이 유동적이고 수급이 불안정한 코발트(Co) 비중을 줄이고 니켈(Ni)·망간(Mn)을 활용해 총 3가지 원료로 구성(리튬 제외)된 양극재를 삼원계라고 부른다. 삼원계 양극재는 중국 기업들이 주로 생산하는 리튬인산철(LFP) 보다 기술적으로 진일보한 소재로, 에너지 밀도가 높아 전기차 주행거리 증대에 기여한다.
전기차 배터리에 탑재되는 삼원계 양극재에는 대표적으로 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 등이 있으며 포스코퓨처엠은 현재 3가지 양극재 모두 양산해 글로벌 배터리 기업에 공급하고 있다.
특히, 삼원계 양극재 중 니켈 함량이 약 80% 이상인 소재를 하이니켈(High-Ni)이라고 부르는데, 양극재 구성 원료 중 니켈이 소재의 에너지 밀도를 결정하기 때문에 니켈 비중을 높이면 전기차의 1회 충전 주행거리를 크게 확대할 수 있어 포스코퓨처엠을 비롯한 글로벌 배터리소재 기업들은 삼원계 양극재의 니켈 비중 극대화를 지속 추진하고 있다.
포스코퓨처엠은 현재 니켈 함량 86% 이상의 삼원계(NCMA) 양극재를 양산해 얼티엄셀즈 등 글로벌 고객사에 공급하고 있으며, 해당 제품 양산 과정에서 축적한 데이터 및 노하우를 기반으로 니켈 함량을 90% 이상으로 높일 계획이다.
이어서, 최근 전기차의 주행거리뿐만 아니라 배터리의 안전성·수명 등 성능 고도화를 위한 ‘단결정(Single-Crystal)’ 기술이 주목 받고 있어 포스코퓨처엠은 ‘단결정’ 제품 생산 확대·입자 크기 다양화에도 박차를 가하고 있다.
단결정이란 소재의 단위 입자가 하나(Single)의 결정 형태를 이루는 것을 의미한다. 현재 대부분의 전기차 배터리에는 여러 개의 결정상이 하나의 입자를 이루는 다결정(Polycrystalline) 양극재가 탑재되는데 다결정 제품은 압연 공정 및 충·방전 과정에서 입자 내 균열이 발생해 배터리 내 가스 발생 및 수명 감소를 야기할 수 있다. 반면 단결정 제품은 하나의 결정상이 하나의 단위 입자 구조로 결합하기 때문에 입자 내 균열 발생을 방지하고 다결정 대비 안정성·수명 성능이 우수하다.
포스코퓨처엠은 차별화된 고온 소성(열처리)·코팅 기술을 바탕으로 지난 3월 국내 최초로 ‘니켈 함량 86% 이상 단결정 양극재’ 양산에 성공했다. 니켈 함량을 높여 전기차 주행거리를 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 소재 구조 개선으로 안정성까지 향상시킬 수 있어 시장 선도 기술력을 입증한 것이다.
포스코퓨처엠은 현재 양산 중인 ‘소입경’ 제품보다 입자 크기가 큰 ‘중입경’ 단결정 양극재 기술도 개발해 제품 라인업 내 ‘단결정’ 비중을 늘리고, 양극을 단결정 제품으로만 구성해 에너지 밀도·안정성·수명 성능 모두 우수한 제품을 양산할 계획이다.
● Volume·Entry급 시장 공략을 위한 신규 라인업 구축
① 범용성을 갖춘 고전압 미드니켈 단결정 양극재
포스코퓨처엠은 범용성을 갖춘 고전압 미드니켈(Mid-Ni) 단결정 양극재 기술 개발을 통해 Volume 및 Entry급 전기차 시장을 공략할 방침이다.
니켈·코발트·망간으로 이뤄진 삼원계 양극재 중 니켈 함량이 약 50~60%대인 양극재를 미드니켈로 분류한다. Premium급 전기차 시장을 타깃으로 한 하이니켈 양극재와 달리, 고가의 니켈·코발트 함량을 낮추고 수산화리튬 대비 저렴한 탄산리튬을 활용해 가격경쟁력을 확보한 소재이다. 또한, 니켈 함량이 낮아 발열량도 적은 편이이어서 열폭주(전이) 문제도 효과적으로 해결할 수 있다.
그러나 니켈 함량을 낮출 시 에너지 밀도가 하락하기 때문에 포스코퓨처엠은 기존 소재 대비 *전압을 높이고, 단결정 입자 구조를 적용해 하이니켈 제품에 미치지는 못하지만 기존 미드니켈 제품 보다는 에너지 밀도가 높은 소재를 양산할 계획이다.
*[에너지 밀도 = 용량 x 전압]으로 전압 또는 에너지저장용량을 높이면 에너지 밀도를 향상 가능
다만, 양극재의 전압을 높이면 에너지 밀도를 향상시킬 수 있으나 소재 내 크랙 및 균열이 발생할 수 있어 입자 구조를 하나로 결합하는 단결정 기술이 이러한 안정성 문제 해결의 핵심 열쇠이다. 포스코퓨처엠은 국내 최초로 니켈 함량 86% 단결정 양극재를 양산해 글로벌 고객사에게 공급하고 있기 때문에, 해당 기술을 바탕으로 하이니켈뿐만 아니라 고전압 미드니켈 단결정 기술도 빠르게 확보할 전망이다.
② Entry급 전기차용 리튬인산철(LFP) 양극재
LFP 양극재는 전 세계에서 가장 매장량이 풍부한 금속 중 하나인 철·인광석으로 제조한 전구체와 탄산리튬을 결합해 생산하기 때문에 다른 소재 대비 가격이 저렴해 글로벌 완성차·배터리 기업들이 주목하는 소재다. 정육면체 형태의 올리빈(Olivine) 구조로 산소(O)와 인(P) 간 결합력이 강해 안정성도 매우 높다.
그러나 니켈 등 전이 금속으로 이뤄진 층(Layer) 사이로 리튬 이온의 이동이 활발한 삼원계보다 에너지저장용량·밀도가 낮다는 약점이 있어 그간에는 주로 중국 기업들이 Entry급 전기차용으로 생산해왔으나, 최근에는 *셀투팩(Cell to Pack) 등 배터리 내 모듈 단계를 제거하고 팩 내부 부품을 최소화하는 기술을 통해 약점을 보완하고 삼원계 대비 가격이 30~40% 저렴해 LFP 양극재를 채택하는 글로벌 완성차·배터리 기업들이 많아지고 있다.
*셀투팩(Cell to Pack) : 다수의 셀이 모듈을 이루고 모듈이 패키지를 이루는 기존 배터리와 다르게 모듈을 생략하고 셀을 바로 팩에 조립
BloombergNEF은 2030년 미국 내 전기차 수요의 40%를 LFP 배터리(양극재)가 점유할 것으로 전망했으며, 신재생에너지 확대로 수요가 증가하고 있는 에너지저장시스템(ESS)의 경우에도 전기차 대비 공간제약·출력 등 요건이 까다롭지 않아 LFP에 대한 선호도가 높아지고 있다.
이러한 시장의 흐름에 발맞춰 포스코퓨처엠 역시 가격경쟁력 높은 LFP·LMFP 양극재를 양산해 북미·유럽 전기차 시장 내 증가하는 Entry급 전기차용 소재 수요에 적극 대응할 계획이다. 특히, LMFP는 LFP에 망간(M)을 더하고 전압을 약 3.2V에서 4.1V로 높여 에너지 밀도를 약 15~20% 늘린 양극재로 LFP 양극재를 탑재한 전기차보다 주행거리를 늘릴 수 있다.
③ 망간(Manganese)이 핵심 원료인 망간리치(Mn-Rich) 양극재
포스코퓨처엠은 망간리치(Mn-Rich, Lithium Manganese Rich) 양극재 기술도 개발하고 있다. 망간리치는 구성 원료 중 망간과 리튬의 비중이 높은 양극재를 말한다.
에너지 밀도를 높일 수 있는 니켈과 고가의 코발트 대신 상대적으로 저렴하며 수급이 안정적인 망간 비중을 높여 LFP 양극재에 준하는 가격경쟁력을 갖출 수 있다. 또한, 망간 비중을 높이면 소재 구조가 안정화돼 고전압(4.4V 이상)으로 에너지 밀도 또한 50% 이상 높일 수 있어 미드니켈 양극재 등과 함께 차세대 소재로 주목받고 있다.
이러한 망간리치 양극재의 종류는 다양한데, 코발트 함유량이 0%인 Co-free와 10% 미만인 Co-less로 분류되며, 가장 대표적인 제품으로 LLO(Layered Li-rich Manganese Oxides) 양극재가 있다. 본래 니켈 등 전이금속이 들어갈 자리에 리튬을 추가로 넣어 에너지저장용량·밀도를 높인 소재이다. 다만, 충·방전 과정에서의 가스 발생 우려가 있어 포스코퓨처엠은 기술 개선에 박차를 가해 소재 포트폴리오를 다각화할 방침이다.
전기차 산업 발전, 소재 혁신이 관건
포스코퓨처엠은 에너지소재연구소-포스코홀딩스의 미래기술연구원-포항산업과학연구원(RIST)-포스텍(POSTECH)이 보유한 신소재에너지 기초·양산화·차세대 소재 기술 연구 등 R&D 역량을 결집해 시장을 선도할 수 있는 양극재 기술을 지속 개발해 나갈 계획이다. 특히, 포스코그룹 차원의 투자로 구축한 원료부터 최종 소재, 폐배터리 리사이클링까지 이어지는 양·음극재 풀 밸류체인으로 고품질의 원료를 안정적으로 조달할 수 있어 R&D 투자로 완성한 차세대 소재 기술을 효율적으로 상용화 및 양산할 수 있을 것으로 기대된다.