포스코는 최근 미래 수요산업 발굴에 속도를 내며 눈에 띄는 성장과 혁신으로 주목받고 있습니다. 특히 모바일 기기, 전기차, 태양광 패널, 신재생 에너지 저장 시스템 등 첨단기술의 핵심이 되고, 포스코그룹의 신성장 동력으로 손꼽히는 이차전지 분야에서 대내외로 사업 경쟁력을 확장해 나가고 있는데요. 국내에선 포스코퓨처엠이 유일하게 이차전지 성능을 결정짓는 중요한 소재인 양극재와 음극재를 모두 생산하며 고품질 이차전지 소재 주요 공급업체 중 하나로 자리매김했습니다.
오늘은 포스코경영연구원 박재범 수석연구원과 함께 배터리의 수명과 충전 속도를 좌우하는 음극재를 중심으로, 배터리의 미래를 이끌어 나갈 포스코그룹의 청사진을 만나보는 시간을 가져보도록 하겠습니다. 지금 바로 만나보시죠!
세계 각국의 탄소 절감을 위한 노력에 따라 기존 자동차 산업은 완전히 탈바꿈하고 있습니다. 내연기관을 베이스로 하던 흐름에서 벗어나 친환경 에너지를 도입한 전기차 시대로 전환해 나가고 있는 것인데요. 전기차를 생산하는 데 있어 단연 핵심 소재가 되는 것이 바로 이차전지입니다. 이차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등 네 가지 소재로 구성돼 있는데, 그중 에너지밀도를 높여 전기차의 주행 거리를 결정짓는 양극재와 배터리의 충전 속도, 수명에 영향을 주는 음극재가 이차전지의 성능을 좌우한다고 해도 과언이 아닙니다.
전기차에 주로 사용되는 리튬이온 배터리는 양극재와 음극재 사이를 이동하는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 전기를 만들어 냅니다. 이때 음극재는 양극재에서 나온 리튬이온을 저장했다가 배출하는 역할을 하죠. 즉, 리튬이온을 더 많이, 빠르게 저장하고 방출할수록 에너지 밀도와 충전 속도를 높일 수 있으므로 음극재의 성능에 따라 배터리의 성능도 크게 영향을 받는다고 할 수 있습니다. 최근에는 에너지밀도와 충전 속도, 내구성의 삼박자를 갖춘 음극재 개발이 양극재 못지않게 중요한 과제로 꼽히고 있는데요.
그렇다면 음극재를 이루는 핵심 소재는 무엇일까요? 바로 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 연필심이나 샤프심의 일종인 흑연을 핵심 광물로 하고 있습니다. 금속도 음극재의 생산 소재로 사용되지만, 가격이 저렴하고 안정성이 높은 흑연계 음극재가 전체 음극재 생산 시장의 90%를 차지할 정도로 대체 불가능한 큰 비중을 보이고 있죠. 따라서 현재 시장에서 사용되는 음극재는 대부분 천연흑연과 인조흑연이라고 볼 수 있습니다.
천연흑연은 광산에서 흑연 광석을 채굴한 뒤 이를 잘게 부수고, 불순물을 걸러 순도를 높여 생산합니다. 이 과정을 선광이라고 부릅니다. 이렇게 만들어진 인상흑연을 갖고 또다시 여러 공정을 거쳐 동그란 형태의 구형흑연으로 만들죠. 구형흑연은 피치(pitch)로 코팅한 뒤 고온에 굽는 소성 작업을 거치는데, 이 작업은 코팅으로 겉면을 감싸 배터리가 고온에도 견딜 수 있도록 하고, 충˙방전 효율을 높여주기 위함입니다. 마지막으로 크기별로 나누는 분급과 철 성분을 걸러내는 탈철 작업까지 거치면 그제야 순도 99.9%에 가까운 천연흑연 음극재가 완성됩니다.
인조흑연은 광산에서 직접 채굴하지 않고 철강을 만드는 과정에서 나오는 부산물인 콜타르를 주원료로 만들어지는데요. 이때 콜타르의 불순물을 제거하고 고온으로 열처리하면 바늘처럼 길고 뾰족한 형태의 침상코크스가 만들어지게 됩니다. 마지막으로 이 침상코크스를 분쇄하고 고온에서 흑연화 후 코팅과 탈철 작업을 거치면 인조흑연 음극재가 완성됩니다.
이렇게 생산과정을 달리해 만들어진 천연흑연 음극재와 인조흑연 음극재는 서로 상호보완적인 관계에 있습니다. 천연흑연 음극재는 리튬이온 저장 용량이 크고 가격이 저렴하다는 장점이 있고, 인조흑연 음극재는 수명·출력·안정성 면에서 용이하죠. 이런 이유로 전기차용 이차전지에는 천연흑연과 인조흑연을 섞어서 사용하는 경우가 대다수입니다.
포스코퓨처엠은 국내에서 유일하게 천연흑연과 인조흑연을 모두 생산하고 있는 기업입니다. 천연흑연은 기존 공급처 외에도 포스코홀딩스와 포스코인터내셔널이 투자한 탄자니아 소재 마헨지 광산과 마다가스카르 소재 몰로 광산에서 확보할 예정이며 인조흑연은 원재료인 침상코크스를 자회사 포스코MC머티리얼즈를 통해 자체 조달하면서 국산화에 성공했죠. 그뿐만 아니라 포스코홀딩스와의 R&D를 통해 인조흑연과 천연흑연의 장점을 고루 갖춘 저팽창-장수명 천연흑연 음극재를 개발해 내기도 했습니다.
최근에는 전 세계 흑연 생산량 약 70%를 차지하고 있는 중국이 자국의 흑연 수출을 전면 통제하겠다고 발표한 바 있습니다. 전기차 시장이 확대됨에 따라 음극재 시장 또한 연평균 20% 이상의 고성장을 이어가고 있는 상황에서 이러한 중국의 수출 통제 선언은 국내외 배터리 생산 업체들에 큰 타격을 입힌 셈이었죠. 하지만 포스코그룹의 배터리 시장 경쟁력은 더욱 주목받고 있는데요. 2010년부터 이미 음극재 사업을 시작하며 소재 분야 전반에 걸쳐 자체 조달 역량을 높이고, 중국 의존도를 낮추기 위한 노력을 기울이던 포스코그룹은, 향후 음극재 분야에서 공급망 역량을 강화해 나가며 생산성 자립에 속도를 낼 전망입니다.
▶ 2030년까지 3만 5천 톤 규모의 실리콘 음극재 양산 체제 구축
포스코그룹의 배터리 성능 강화를 위한 음극재 기술 개발 전략은 계속해서 발전해 나갈 것으로 기대되는데요. 세계적인 전기차의 고성능화 요구에 따라 배터리 또한 고성능이 필요하게 되면서 다양한 소재의 음극재가 주목을 받고 있기 때문이죠. 그중 하나로 실리콘 음극재를 들 수 있습니다.
실리콘 음극재는 단위 무게당 용량이 흑연계 음극재보다 10배가량 높아 전기차 주행 거리를 혁신적으로 늘릴 수 있으며 고속 충전에 용이하다는 장점이 있습니다. 반면 흑연계 음극재보다 가격이 상당히 높고, 충전과 방전을 진행하면서 부피팽창이 일어나 구조적으로 불안정성이 심하다는 극복해야 할 기술적 단점을 지니고 있죠.
이러한 기술적 이슈 때문에 현재 실리콘 음극재는 전기차 배터리에 100% 사용되지 못하고 흑연계 음극재에 4~5%를 첨가하는 구조로 활용되고 있는데요. 그럼에도 전기차 주행거리와 충전성능을 향상하기 위해서는 실리콘 음극재가 그 해답으로 주목받고 있어, 업계 일각에서는 소재 구조의 안정성을 높이는 기술 개발을 통해 2030년까지 음극재에 실리콘을 혼합하는 비중을 5%에서 30%까지 확대해 나갈 것으로 내다보고 있습니다. 실리콘 음극재 시장 또한 연평균 34%의 성장률을 보일 전망이라고요.
이에 따라 포스코그룹은 차세대 제품인 실리콘 음극재의 생산 밸류체인을 구축하고자 그룹 내 연구 역량을 결집해 개발에 힘써 오고 있습니다. 포스코홀딩스는 자회사인 포스코실리콘솔루션을 설립했고, 포스코홀딩스 미래기술연구원과 포스코퓨처엠은 함께 힘을 모아 2030년까지 3만 5천 톤 규모의 실리콘 음극재 양산 체제를 구축해 나갈 계획입니다.
▶ 인프라의 힘으로 차세대 음극재 끝판왕인 리튬메탈 음극재 양산에 나선다
실리콘 음극재와 비슷하게 흑연 대비 10배 이상의 에너지 밀도를 자랑하지만, 그 잠재력은 훨씬 크다고 평가받는 또 다른 차세대 음극재 소재가 있습니다. 바로 리튬메탈 음극재입니다. 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 순도가 높고 불순물이 적은 아르헨티나 염호를 보유하고 있어 리튬을 음극재로 쓰기 위해 필요한 순도를 높이고 불순물을 제거해 주는 데 유리합니다. 또한 세계 최고 수준의 리튬 정제 기술을 갖고 있기도 하죠. 아울러 압연, 도금 과정에서 쌓아온 독자적 기술인 Roll-to-Roll 공법을 이용해 리튬의 두께를 얇게 만들고 폭을 넓히는 초극박화 과정을 무리 없이 소화할 수 있다는 가장 큰 장점을 갖고 있습니다. 포스코그룹은 이러한 기술들을 집약하고 꾸준히 개발해 차세대 배터리에 적합하면서도 경제성 있는 리튬메탈 음극재를 양산하는 기업으로 발돋움해 나갈 것입니다.