오늘날 글로벌 배터리 산업의 성패는 ‘누가 더 안정적이고, 규제에서 자유로운 공급망을 확보하느냐’에 달려 있다. 배터리 업계의 거대한 장벽이 된 미국과 유럽의 규제 속에서도 포스코퓨처엠은 독보적인 공급망 솔루션으로 위기를 기회로 바꾸고 있다. 일본 메이저 배터리사, 글로벌 자동차사와의 6,700억 원 규모 천연흑연 음극재 공급 계약에 이어 올해 3월 1조 원 규모의 인조흑연 음극재 장기 계약을 잇달아 체결하며 독보적인 저력을 입증했다. 이러한 성과는 원료부터 중간소재, 완제품 생산에 이르는 전 과정에서 공급망 내재화를 이뤄낸 뚝심의 결실이다. 포스코퓨처엠이 그리는 음극재 공급망 자립의 미래와 기술개발 현황을 유승재 음극재연구센터장의 목소리를 통해 들어본다.

PART 01

천연에서 인조까지, 음극재 국산화를 이룬 포스코퓨처엠

포스코퓨처엠의 가장 큰 경쟁력은 급변하는 글로벌 배터리 시장의 요구에 맞춰 천연흑연과 인조흑연 음극재를 고객 맞춤형으로 양산·공급할 수 있는 독보적인 포트폴리오에 있습니다.

전기차 배터리 음극은 천연흑연과 인조흑연을 혼합(blending)해 구성하는데, 최근 고성능·급속 충전을 요구하는 트렌드에 따라 인조흑연 음극재의 수요가 급증하고 있습니다. 광산에서 채굴한 인상흑연을 원료로 하는 ‘천연흑연 음극재’는 뛰어난 에너지 저장 용량과 가격 경쟁력이 강점이라면, 고온 열처리하여 제조하는 ‘인조흑연 음극재’는 구조적 안정성이 높아 고속 충전 성능을 극대화하는 데 유리하죠.

포스코퓨처엠은 이 두 가지 핵심 소재를 모두 양산하며 시장의 요구에 유연하게 대응하고 있습니다. 더 나아가 차세대 전고체 배터리 등에 적용될 ‘실리콘 음극재’ 사업화까지 속도를 내며 업계 최고 수준의 포트폴리오를 구축했습니다. 특히 지속적인 공정 혁신을 통해 생산성을 극대화하며 글로벌 기술 경쟁력을 입증하고 있습니다.

포스코퓨처엠의 이러한 성과는 오랜 국산화 노력의 결실입니다. 지난 2011년, 천연흑연 음극재 국산화에 성공한 데 이어, 2021년에는 포항에 인조흑연 음극재 공장을 준공하며 독자적인 양산 체제를 구축했습니다. 이러한 국산화와 원료 내재화는 단순히 기술 자립을 넘어, 지정학적 리스크가 커진 글로벌 시장에서 고객사에 가장 안정적인 공급망을 보장하는 포스코퓨처엠만의 독보적인 경쟁력이 되고 있습니다.

▲포스코퓨처엠과 몰튼(Molten)은 지난 3월 메탄가스를 활용한 천연흑연 음극재 원료 공동개발 양해각서를 체결했다.

포스코퓨처엠은 미국 몰튼(Molten)*사와 협력하여 광산에서 채굴하지 않는 원료를 활용한 천연흑연 음극재 개발을 추진하고 있습니다. 이는 기존의 광산 채굴형 흑연 의존도에서 벗어나, 양사의 독보적인 원료·소재 기술력을 결합해 새로운 방식으로 핵심 원료를 확보한다는 점에서 의미가 큰데요. 이를 통해 원료 공급망 다변화와 원가 절감을 달성하고, 글로벌 시장에서 차별화된 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대합니다.

*몰튼(Molten) : 미국 캘리포니아주에 본사를 둔 기업으로, 메탄가스를 열분해해 흑연을 제조할 수 있는 세계 유일의 기술력을 보유하고 있다.

포스코퓨처엠은 몰튼의 메탄가스를 활용한 흑연 생산 기술과 자사의 음극재 제조 기술을 결합해 원료 공급망을 강화할 계획입니다. 몰튼이 메탄가스를 열분해하여 흑연을 생산하면, 포스코퓨처엠의 자회사 퓨처그라프를 통해 구형흑연으로 가공한 뒤 세종공장에서 최종 천연흑연 음극재를 생산할 계획이죠.

메탄가스로 생산한 흑연은 광산 채굴 흑연보다 금속 불순물 함량이 낮아 정제 공정을 대폭 축소할 수 있으며, 이는 음극재 생산 비용의 획기적인 절감으로 이어집니다. 아울러 메탄가스 열분해 과정에서 부산물로 발생하는 수소는 전력 생산에 활용하거나 포스코의 수소환원제철 공정에 공급하는 등 포스코그룹 차원의 강력한 시너지 효과도 창출할 수 있을 것으로 기대합니다.

PART 02

포스코그룹의 시너지로 완성하는 ‘K-음극재’ 공급망 자립

▲포스코인터내셔널은 지난해 매장량 기준 세계 2위 규모의 탄자니아 마헨게 흑연 광산 개발에 착수했다.

흑연은 배터리 음극재 생산에 필수적이지만 전 세계 공급량의 90% 이상을 특정 국가가 차지하고 있어 공급망 리스크가 매우 큽니다. 때문에 전기차와 ESS(에너지 저장 시스템) 시장 성장으로 수요가 급증하는 상황에서 대체 공급선 확보가 필수적입니다. 이에 포스코그룹은 포스코인터내셔널의 원료 확보와 포스코퓨처엠의 소재 생산을 연계한 ‘이차전지 소재 사업의 수직계열화’를 구축했는데요. 앞으로는 아프리카에서 확보한 흑연을 음극재 생산에 직접 투입해 원료 자급률을 높이고 공급망 불안을 해소할 계획입니다.

포스코그룹의 이차전지 소재 사업은 포스코그룹의 원료 확보 역량, 양극재·음극재 기술, 그리고 그룹 전반의 공정 기술이 결합된 구조로 글로벌 배터리 고객사에 안정성과 경쟁력을 동시에 제공할 수 있다는 것이 가장 큰 강점입니다.

▲포스코퓨처엠은 천연흑연 음극재 구형화 및 고순도화 기술 내재화에 주력하고 있다. 자료 출처: 포스코퓨처엠

특히 천연흑연 음극재의 경우, 광산에서 채굴한 흑연을 둥글게 가공해 순도를 높인 중간 소재인 ‘구형흑연’의 특정 국가 의존도가 매우 높습니다. 미국 인플레이션 감축법(IRA) 등 글로벌 공급망 규제에 대응하기 위해서는 이 단계의 기술 자립이 필수적이죠.

이에 포스코퓨처엠은 포스코그룹이 아프리카 등에서 확보한 흑연 원광을 자회사 퓨처그라프의 새만금 공장에서 구형흑연으로 가공하고, 이를 세종 공장으로 보내 최종 천연흑연 음극재로 완성하는 체계를 구축하고 있는데요. 국산화된 공급망을 토대로 글로벌 배터리 및 완성차 업체에 안정적으로 제품을 공급할 계획입니다.

▲포스코퓨처엠과 타이응웬성은 지난 4월 베트남 인조흑연 음극재 사업 투자등록증(IRC)을 전달하는 사전 행사를 진행했다.

인조흑연 음극재는 배터리 급속 충전과 수명 향상에 필수적인 소재이지만 특정 국가 의존도가 높아 공급망 다변화가 시급합니다. 베트남은 투자비, 전력비, 인건비, 물류비가 낮아 타 동남아 국가 대비 원가 경쟁력이 우수한데요. 또한 안정적인 전력망과 산업 인프라를 갖추고 있으며, 미국 등 주요국과의 우호적인 무역 환경에 놓여있다는 것도 큰 강점입니다.

포스코퓨처엠은 베트남 북부 산업도시 타이응웬에 약 3,570억 원을 투자해 인조흑연 음극재 공장을 신설하고 있는데요. 올해 하반기 착공해 2028년 양산하는 것이 목표이며, 확보한 부지는 수주 상황에 따라 최대 5만 5,000톤까지 단계적으로 증설할 예정입니다.

PART 03

  전기차를 넘어 신산업으로, 차세대 실리콘 음극재 기술

실리콘 음극재는 용량이 커서 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축할 수 있는 소재이지만, 충방전 시 부피가 크게 부풀어 오르는 팽창 현상이 발생해 흑연 음극재와 혼합해 사용해 왔습니다.

포스코퓨처엠은 흑연계 음극재보다 약 5배 용량을 높이고, 독자적인 코팅 기술을 적용해 팽창 문제를 최소화한 실리콘 음극재를 개발하는 데 성공했습니다. 2024년 5월부터 데모 플랜트를 가동해 제품을 생산하고 있으며, 글로벌 고객사들과 상용화 및 대량 생산 체계 구축을 위한 협의를 진행하고 있습니다.

▲인터배터리 2026에 전시된 포스코그룹 실리콘 음극재 샘플

휴머노이드 로봇, 드론, 우주항공 등 신산업 분야는 배터리의 무게와 부피를 최소화하면서도 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 속도를 확보해야 하는 시장입니다. 장시간 구동과 빠른 충전이 필수적인 로봇과 드론은 물론, 고출력과 높은 신뢰성이 요구되는 우주항공 분야에서도 실리콘 음극재의 수요가 빠르게 늘어날 것으로 전망합니다. 포스코퓨처엠의 실리콘 음극재는 기존 흑연계 대비 용량이 크고 충전 성능이 우수해, 공간과 무게 제약이 엄격한 분야에 최적의 솔루션이 될 수 있습니다.

▲포항시에 위치한 포스코퓨처엠 실리콘 음극재 데모 플랜트 전경

포스코퓨처엠은 국내 유일의 흑연계 음극재 생산 기업으로서 천연·인조흑연 음극재 국산화에 성공한 데 이어, 실리콘 음극재 등 차세대 소재로 포트폴리오를 확장하고 있습니다.

지난 15년간의 연구를 바탕으로 독자 기술을 적용한 제품은 여러 가지가 있지만, 그중 ‘저팽창 천연흑연 음극재’는 고밀도 구형화 공정으로 소재 구조를 개선해, 급속충전 성능은 높이고 팽창률은 낮춘 제품으로 높은 가격 경쟁력을 가지고 있습니다. ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’의 경우 실리콘 음극재와 혼합해 사용할 때 실리콘의 팽창을 억제해 주는 제품으로, 향후 실리콘 음극재 시장 성장과 함께 수요가 동반 상승할 것으로 기대되는데요.

포스코퓨처엠은 이러한 독자 기술 제품들과 ‘원료-소재-제품’으로 이어지는 수직계열화 경쟁력을 바탕으로 급속충전, 고출력, 고에너지밀도 등 미래 배터리 요구 조건을 선제적으로 구현해 나갈 것입니다. 이를 통해 전기차를 넘어 로봇, 드론, 우주항공 등 신산업을 아우르는 글로벌 탑티어 음극재 솔루션 기업으로 성장할 것으로 기대됩니다.

l 전기차 배터리의 핵심소재, ‘음극재’

배터리 산업의 메가 트렌드는 크게 세 가지로 말할 수 있다. 바로 배터리의 장수명화, 전기차 보급 확대를 위한 고속 충전, 주행가능거리 확대를 위한 고용량화이다. 지난 시리즈에서 다뤘던 양극재가 전기차의 주행거리와 배터리 출력을 좌우한다면, 양극재만큼이나 전기차 배터리에서 중요한 소재가 바로 음극재다. 전기차 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하기 때문이다.

배터리 재료비 원가 비중의 약 14%를 차지하는 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 들어가면서 흑연이 팽창해 부피가 늘어나게 된다. 다시 말해, 흑연의 팽창은 시간이 지날수록 구조 변화를 일으켜 배터리의 용량이 줄어드는 원인이 된다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리에 대한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극 소재 개발을 앞다퉈 진행하고 있다.

현재 음극재는 규칙적인 층상구조로 쌓여있는 흑연을 주로 사용하고 있으며, 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉜다. 천연흑연은 리튬이온을 보관할 수 있는 가장 안정적이면서 저렴한 재료였으나, 사용 중 팽창 문제로 구조적 안정성이 점차 떨어지자 이를 개선한 인조흑연의 사용 비중이 점차 높아지는 상황이다. 인조흑연은 3000℃ 이상의 고온열처리를 통해 만들어져 천연흑연에 비해 결정성이 높고 구조가 더 균일해 안정성이 높다. 다만 석유계피치나 콜타르 원료를 가공해 침상코크스를 만들고, 침상코크스를 분쇄한 뒤에 뭉쳐서 가열하는 등의 추가 제조공정으로 가격이 비싸다.

흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 한 개가 저장되지만, 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개가 저장되는 구조를 갖기 때문에 실리콘 기반 음극재 단위 에너지 용량이 흑연보다 약 10배가량 높다. 결국 실리콘 음극재는 흑연계 음극재보다 고용량 · 고출력의 성능을 가지고 있어 전기차 배터리의 주행거리를 혁신적으로 늘리는 차세대 소재로 주목받고 있다.

l 몸값 높아지는 실리콘 음극재

시장조사업체 SNE리서치가 19일 발표한 ‘리튬이차전지 음극재 기술동향 및 시장전망’ 보고서에 따르면 2019년 기준 전체 음극활물질 수요량은 약 19만 톤이다. 보고서는 2025년까지 전체 음극활물질 수요량이 약 136만 톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 전망했다. 이 가운데 가장 높은 비중을 차지하는 인조흑연은 2019년 53%에서 2025년 60%로 소폭 증가할 것으로 보인다. 두 번째로 높은 비중을 차지하는 천연흑연은 43%에서 28%로 비중이 다소 감소하지만, 여전히 인조흑연에 이어 가장 많이 사용되는 음극활물질이 될 것으로 보인다.

이때 주목할 만한 점은 음극재 시장 수요 비중에서 가장 낮은 비율로 차지하는 실리콘 음극재를 오는 2025년 11% 성장으로 전망한 것이다. 높은 에너지밀도를 기반으로 전기차 주행거리를 확보하는 것이 전기차 시장이 당면한 과제로서 실리콘 음극재의 전지 내 사용 비중은 점차 높아질 것이란 얘기다.

실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리는 늘리고, 급속 충전 설계가 쉬워 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제적인 소재이기도 하다. 이 같은 장점에도 불구하고 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 위험성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 진행하고 있으며, 배터리의 부피 팽창 부작용을 어떻게 빨리 개선하느냐가 시장 주도권을 확보할 수 있는 포인트가 될 것이라 보고 있다.

l 음극소재 국산화에 나서는 포스코케미칼

전기자동차 및 에너지 저장산업 성장에 따라 음극재 수요가 계속 늘어날 것으로 전망하는 가운데, 중국이 전 세계 대부분의 흑연이 매장되어 있을 뿐 아니라 생산과 공급을 점유해 전 세계 음극재 시장 72%를 차지하는 독보적인 입지를 자랑한다. 중국의 주요 음극재 생산 기업은 베이터뤼(BTR), 즈천과기(Zichen), 산산과기(Shanshan) 등이 있다. 일본 기업으로는 히타치(Hitachi)와 미쓰비시(Mitsubishi)가 있고, 우리나라는 현재 포스코케미칼이 국내 유일하게 천연흑연 기반 음극재를 양산공급하고 있다. 배터리 제품보다 핵심 소재에서 생기는 부가가치가 더 크다는 점을 감안하면 소재 국산화가 시급한 시점이다.

이에 포스코케미칼은 흑연 공급망을 확보해 음극소재 국산화 및 대한민국 배터리 산업 경쟁력 강화에 힘쓰고 있다. 특히, 국내 최초로 인조흑연 음극재 생산체제를 구축하기 위해 블루밸리산업단지에 연산 8,000톤 규모 인조흑연 음극재 1단계 공장을 착공했다. 종합 준공될 시 포스코케미칼은 연산 1만 6,000톤 규모 인조흑연 음극재 생산 능력을 갖추게 되며, 이는 고성능 전기차 기준 약 42만 대에 공급 가능한 양이다.

이에 그치지 않고 포스코케미칼은 천연흑연과 인조흑연의 강점을 모두 살린 저팽창 음극재를 독자 개발하며 차세대 음극재 개발에도 힘을 쏟고 있다. 저팽창 음극재는 천연흑연을 활용해 제품 가격은 낮추고 팽창 방지를 위한 소재 구조를 개선해 인조흑연 수준으로 충전 시간을 단축하고 수명은 늘린 소재다.

한편, 포스코그룹(포스코홀딩스)은 지난 7월 실리콘 음극재 전문 기업 테라테크노스를 인수했다. 테라테크노스는 2017년부터 연속식 SiOx 제조 기술을 개발해온 국내업체다.

SiOx는 나노실리콘 입자 위에 산화물계 실리콘을 합성하여 실리콘의 팽창을 최소화한 음극재로, 테라테크노스는 SiOx제품의 연속제조공정 기술을 보유한 것으로 알려져 있다. 포스코홀딩스는 최근 인수한 테라테크노스의 사명을 포스코실리콘솔루션으로 바꾸고 계열사로 편입시켰다. 앞으로 포스코케미칼이 축적한 음극재 양산 노하우를 바탕으로 음극재 사업을 확장해 나갈 방침이다.

포스코실리콘솔루션은 SiOx 음극재 사업화를 위해 국내 배터리 업계와 SiOx 샘플 제품을 테스트하고 있으며, 앞으로 포스코케미칼과 협력해 제품 고도화 및 양산에 나설 예정이다. 소재 업계 관계자는 “이미 흑연 음극재를 양산하고 있는 포스코케미칼이 SiOx 음극재까지 양산한다면 음극재업체로서 종합적인 포트폴리오를 구축하게 됨으로써 경쟁력이 한층 올라갈 것”이라고 말했다.

국내에서 유일하게 음극재와 양극재를 동시 생산하는 포스코케미칼은 △인조흑연 음극재의 장수명화 △저팽창 천연흑연 음극재 생산능력 확대 △전기차 주행거리 향상을 위한 실리콘 음극재 양산 △전고체 배터리 시대를 열어갈 리튬메탈 음극재 개발까지 ‘소재의 힘’으로 글로벌 전기차 산업의 고도화를 주도해 나갈 것으로 기대된다.