l 주행성능이 향상된 배터리 등장

불과 몇 년 전과는 달리 요즘 도로에서 전기차를 종종 볼 수 있다. 최근 출시된 전기차들은 1회 충전에 평균 300km까지 운행이 가능하며, 하루가 다르게 주행거리가 계속해 늘고 있다. 멀지 않은 시대에 1회 충전으로 평균 600km 이상 주행하는 전기차 시대는 곧 도래할 것이다.

국내 배터리 제조사들은 ‘에너지 밀도’ 높이기 위해 치열하게 경쟁 중이다. 동일한 부피와 무게를 가진 배터리라도 에너지 밀도가 높으면 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있기 때문이다. 이에 업계는 에너지 밀도를 결정하는 니켈의 함량을 80~90%까지 높인 ‘하이니켈’ 배터리를 적극적으로 개발하고 있다.

니켈 90%의 하이니켈 배터리를 탑재하면 1회 충전으로 평균 600km 이상 주행이 가능해지는데, 서울과 부산(직선거리 기준 약 300km) 왕복이 가능하다는 얘기이다. 이런 장점으로 인해 배터리 업계에서는 NCMA 배터리의 채택 확대와 `하이니켈 배터리`로의 전환이 가속화할 것으로 보인다. 단, 니켈 함량이 높을수록 충방전 과정에서 구조적 불안정이 발생하여 배터리 수명이 저하될 수 있기 때문에, 수명특성이 우수한 하이니켈 배터리 생산 여부가 바로 배터리 제조사의 기술경쟁력을 설명한다고 할 수 있겠다.

l 배터리용 니켈 수요 확대

니켈은 전성과 연성이 매우 우수하고 대부분의 환경에서 내식성을 가질 뿐만 아니라, 고온 및 저온 강도 또한 우수한 특성을 지닌다. 이에 현재 니켈이 가장 많이 사용되는 분야는 스테인리스스틸(STS)이다. 스테인리스스틸에 녹이 스는 것을 방지하는 역할을 해주기 때문이다.

지금까지 니켈의 소비 비중은 스테인리스스틸용 80%, 이차전지용 7%이었지만, 전기차 시장의 폭발적인 성장에 따라 2차전지용의 수요가 점차 증가하는 추세다.

SNE리서치에 따르면 세계 배터리용 니켈 수요가 금속 기준 2022년 38만 5000톤에서 2025년 84만 1000톤, 2030년 237만 톤으로 올해보다 각각 2배, 6배 증가할 것이라고 예상하고 있다. 시장 규모로 보면, 2022년 77억 400만 달러에서 2025년 185억 1100만 달러, 2030년 710억 8800만 달러로 커진다는 얘기다.

l 2차전지용 고순도니켈 필요성 대두

니켈의 종류는 순도에 따라 고순도 니켈인 Class 1 니켈(순도 99.8% 이상)과 Class 2 니켈(순도 99.8% 이하)로 구분된다. 짧은 전기차 주행거리를 증가시킬 수 있는 고용량 배터리의 필요성이 대두되자, Class 1 니켈이 배터리 양극재의 원료로 수요가 빠르게 증가하고 있다. 배터리 양극재에 투입되는 니켈 함량이 높을수록 고용량 배터리를 만들 수 있어서다.

하지만 Class 1 니켈은 전체 니켈 생산량의 35%를 밑돌 정도로 생산량이 적어 공급 부족이 우려되는 상황이다. 이에 각 기업들은 Class 1 니켈, 특히 배터리 양극재용 니켈 공급망 확보와 대체 방안을 모색하고 있다.

니켈은 주로 인도네시아, 필리핀, 러시아에서 생산되고 있다. 특히, 인도네시아가 적극적인 투자유치와 중국의 대규모 투자가 맞물리면서 전 세계 니켈의 20% 보유하는 세계 1위 생산국으로 부상했다. 하지만 인도네시아가 2020년 자국 제조업 보호를 위해 광석 수출 금지를 발표해 공급의 난항이 예상된다. 더군다나 전 세계 니켈의 10%를 생산하는 러시아발 사태로 인해 니켈 가격은 더욱 급등한 상황이다.

앞으로 전기차와 친환경 에너지 시장의 확대로 니켈의 수요는 2020년 대비 2040년 약 20배까지 상승할 것으로 예측돼, 공급 위험성이 여전히 높은 수준으로 자리할 것이다. 자원빈국임에도 불구하고 주력 산업이 핵심광물에 의존하고 있는 우리나라에게는 해외 수입원의 안전한 확보와 확대가 절실한 때이다.

l 포스코의 생산능력 확보를 위한 노력

포스코의 경우 급증하는 전기차 배터리 수요에 대응할 수 있도록 기존 스테인리스스틸용 니켈 일부를 배터리용 고순도 니켈로 전환하는 투자를 진행하고 있다. 스테인리스스틸용 니켈을 배터리용 니켈로 전환하는 과정은 크게  2단계로 이뤄진다. 먼저 포스코 그룹사 에스엔엔시(SNNC)가 스테인리스 원료로 사용하는 페로니켈에서 철을 제거하는 공정을 거쳐 니켈 순도가 75%인 니켈매트*를 만든 후, 포스코가 이 니켈 매트를 습식정제해 순도 99.9% 이상의 배터리용 고순도니켈을 생산하는 구조다. 오는 2023년까지 연간 2만 톤(t) 규모(전기차 50만 대에 공급할 수 있는 규모)의 전기차 배터리용 니켈을 생산하는 공장을 국내에 구축할 계획이다.
* 니켈매트: 니켈을 제련해서 만들어지는 중간생산물로 니켈 함량 70~75% 포함

▲ 호주 레이븐소프 니켈광산 전경

또한, 포스코는 호주, 인도네시아 등의 글로벌 니켈사와 합작해 생산능력을 확충해 나갈 방침이다. 지난 2021년에 호주의 니켈 광업·제련 전문 회사인 레이븐소프 지분 30% 인수하면서 니켈의 글로벌 공급망을 안정적으로 확보할 수 있게 됐다.

국내 생산과 국외 투자를 통해 포스코는 전기차용 배터리의 핵심 원료인 리튬과 니켈, 흑연 등 원료부터 양극재와 음극재까지 모두 공급 가능한 국내 유일 회사로서 2차전지 소재 밸류체인 경쟁력을 향상시킬 것으로 기대된다.

포스코는 2030년까지 리튬 22만톤, 니켈 10만톤을 자체 공급해, 2030년까지 양극재 40만톤, 음극재 26만톤 생산체제를 구축함으로써 이차전지소재 부문에서 글로벌 시장 점유율 20%, 매출액 연 23조원을 달성할 계획이다.

그럼 지금부터 포스코그룹의 이차전지소재사업 밸류체인을 자세히 살펴볼 수 있는 <포스코그룹 이차전지 소재 사업 밸류체인 한 눈에 보기>를 살펴보자.

원료확보부터 원료가공, 양•음극재 생산, 폐배터리 재활용까지 어떤 단계로 밸류체인이 진행되는지 궁금하다면?
아래 인포그래픽을 확인해보자.

포스코그룹의 이차전지 소재 사업 밸류체인을 인포그래픽을 통해 자세히 살펴봤다. 포스코는 전기차 시대를 대비해 이차전지소재 사업을 그룹 차원의 새로운 성장동력으로 선정하고 선제적인 투자와 기술혁신을 이뤄 나가고 있다.

▲호주 레이븐소프사의 니켈광산 전경

포스코가 호주의 니켈 광업 및 제련 전문회사 지분을 인수키로했다.

포스코는 19일 호주의 니켈 광업 및 제련 전문회사 ‘레이븐소프(Ravensthorpe Nickel Operation)’ 지분 30%를 2억4천만 달러(한화 약 2,700억원)에 인수하는 계약을 체결했다.

레이븐소프는 자체 광산과 제련 설비 및 담수화, 황산제조, 폐기물 처리 등 부대설비 일체를 갖춘 니켈 일관 생산회사로 캐나다의 ‘퍼스트퀀텀미네랄스(First Quantum Minerals)’가 100% 지분을 소유하고 있다. 포스코는 퍼스트퀀텀미네랄스와 지분양수도계약을 맺고 레이븐소프 지분 30%를 인수키로 했다.

이에 따라 포스코는 레이븐소프가 생산한 니켈 가공품(MHP, 니켈 및 코발트 수산화 혼합물)을 오는 2024년부터 연간 3만2,000톤(니켈 함유량 기준 7,500톤)을 공급받을 수 있는 권리를 갖게 된다. 이는 전기차 18만대에 공급할 수 있는 물량으로 포스코는 이번 계약을 통해 이차전지소재 사업에 필요한 원료인 니켈을 안정적으로 추가 확보할 수 있게 되었다.

니켈은 양극재의 핵심원료로 이차전지의 충전 용량을 높여 전기자동차의 주행거리를 늘리는데 중요한 역할을 하고 있어 최근 니켈 함유량이 높은 양극재 채용이 확대됨에 따라 니켈 확보의 중요성이 더욱 커지고 있다.

또한 포스코는 퍼스트퀀텀미네랄스社와 배터리용 황산니켈 및 전구체 사업까지 협력을 확대하는 별도의 양해각서(MOU) 체결을 통해 이차전지 소재 관련 추가적인 사업기회를 모색한다는 방침이다.

이번 지분인수를 통해 포스코는 전기차용 배터리의 핵심 원료인 리튬과 니켈, 흑연 등 원료부터 양극재와 음극재까지 공급할 수 있는 세계 유일의 일괄 공급 회사로서의 위상 강화가 기대된다.

포스코는 2030년까지 리튬 22만톤, 니켈 10만톤을 자체 공급해, 2030년까지 양극재 40만톤, 음극재 26만톤 생산체제를 구축함으로써 이차전지소재 부문에서 글로벌 시장 점유율 20%, 매출액 연 23조원을 달성할 계획이다.

포스코는 최근 중국 탄산 리튬 현물 가격이 지난해 7월 톤당 5천 달러에서 올 2월 톤당 1만 1천 달러를 넘어서며 2배 이상으로 급등함에 따라 지난 2018년 인수한 아르헨티나 ‘옴브레 무에르토(Hombre Muerto)’ 리튬 염호에 매장되어 있는 리튬을 생산해 현 시세를 적용해 판매시 누적 매출액이 35조원에 달할 것으로 전망하고 있다.

포스코는 지난해 말 염호의 리튬 매장량이 인수 당시 추산한 220만 톤 보다 6배 늘어난 1,350만 톤임을 확인했다. 리튬 매장량 검증은 업계 최고 수준의 글로벌 염수 리튬 전문 컨설팅 업체인 미국의 몽고메리社(Montgomery & Associates)가 국제 공인 규정에 따라 수행했다.

현재 중국을 포함해 전 세계적으로 전기차 시장이 성장하고 있어 전기차 배터리의 필수 소재인 리튬 가격은 계속해서 상승할 것으로 전망되고 있다.

포스코는 리튬 이외에도 이차전지를 구성하는 양극재 핵심 원료인 니켈 투자도 적극적으로 추진하고 있다. 니켈은 리튬과 함께 배터리의 성능과 직결되는 소재다. 포스코는 폐배터리를 활용한 리사이클링(재활용) 사업과 호주 등 니켈 광산 투자를 통해 배터리용 니켈 공급을 자체적으로 확보한다는 계획이다.

이와 함께 현재 전량 중국에 의존하고 있는 음극재 원료인 흑연의 수급 다변화를 위해 아프리카 탄자니아 흑연광산을 보유한 호주 광산업체 블랙록마이닝 지분 15%를 지난달 인수 완료했다.

한편 2030년까지 포스코는 이차전지소재의 원료인 리튬, 니켈, 흑연 등의 자체 공급체계를 만들고, 포스코케미칼은 이를 원료로 양극재 40만 톤, 음극재 26만 톤 생산체제를 구축할 계획이다. 이를 통해 포스코그룹은 전 세계에서 유일하게 원료에서부터 이차전지소재까지 생산하는 소재 밸류체인을 완성한다는 계획이다.

포스코그룹이 이차전지소재 사업의 밸류체인 완성에 박차를 가한다.

포스코그룹은 양극재와 음극재 등의 이차전지소재사업과 함께 리튬, 니켈 및 흑연 등의 이차전지 핵심원료 사업을 확대하는 것을 중심으로 ▲아르헨티나 리튬 염호 평가매장량 증가, ▲친환경 니켈 제련 사업 추진, ▲흑연 광산 지분 투자 등을 연계해 이차전지소재 사업의 밸류체인을 구축키로 했다.

최정우 포스코 회장은 “우리는 전 세계에서 유일하게 리튬, 니켈, 흑연 등 원료부터 양극재와 음극재까지 이차전지소재 일괄공급체제를 갖추고 있다.”며 “차별화된 경쟁우위에 기반하여 이차전지소재를 세계 최고 수준의 사업으로 육성하는데 모든 역량을 집중하자”고 강조했다.

이차전지산업의 밸류체인은 전기차 등에 사용되는 배터리를 생산하는 회사, 배터리에 필요한 양극재, 음극재, 전구체 등을 생산하는 이차전지소재 회사, 이에 필요한 리튬, 니켈, 흑연 등의 원료를 가공, 공급하는 이차전지소재 원료공급사 등으로 분류할 수 있다.

이차전지 양극재의 핵심 소재인 리튬은 전기를 생성, 충전할 수 있는 역할을 하고, 니켈은 이차전지의 운행거리를 늘리는데 중요한 역할을 하고 있다. 또한 흑연은 전기 생성을 위해 양극재에서 방출된 리튬이온을 저장하고 다시 방출하는데 탁월한 기능을 하면서도 안정적인 소재여서 음극재의 원료로 쓰이고 있다.

지난달 30일 포스코는 보유하고 있는 아르헨티나 ‘옴브레 무에르토(Hombre Muerto)’염호의 최종 매장량 평가 결과, 리튬 매장량이 인수 당시 추산한 220만톤 보다 6배 늘어난 1,350만톤인 것으로 확인했다. 이는 전기차 약 3억7천만대를 생산할 수 있는 수준이다.

리튬 농도 역시 평균 921mg/L의 고농도로 확인되어 현재 전 세계 염호 중 리튬 매장량 및 농도 모두 세계 최고 수준인 것으로 확인했다. 리튬 농도는 염수 1 리터에 녹아있는 리튬의 함량을 나타내는 지표로서, 농도가 높을수록 적은 염수에서 많은 리튬을 추출할 수 있다. 리튬 매장량 검증은 업계 최고 수준의 글로벌 염수리튬 전문 컨설팅 업체인 미국의 몽고메리社(Montgomery & Associates)가 국제 공인 규정에 따라 수행했다.

아울러 포스코는 고용량 배터리 양극재의 필수 원료인 고순도니켈의 생산도 추진키로 했다. 철강 생산 공정에서 활용해온 쇳물 생산과 불순물 제거 기술 역량을 기반으로 친환경 고순도 니켈 제련 공정을 개발하는데 투자를 확대해 나간다는 것이다. 또한 폐배터리로부터 니켈 및 리튬, 코발트 등을 추출하는 재활용사업에도 진출해 친환경 배터리 자원순환에도 앞장설 계획이다.

이와 함께 포스코는 현재 전량 중국에 의존하고 있는 음극재 원료인 흑연의 수급 다변화를 위해 아프리카, 호주 등의 흑연 광산을 확보한다. 중장기적으로 중국산 원료 의존도를 50% 이하로 낮출 방침이다.

또한 차세대 이차전지로 조명받고 있는 전고체전지의 소재 개발에도 나설 계획이다. 기존의 이차전지는 전지의 양극과 음극 사이에 액체 성분의 전해질을 통해 전기가 생성, 충전 된다. 전고체전지는 전지 양극과 음극 사이에 있는 액체 전해질을 고체로 대체한 차세대 배터리로 에너지 밀도가 높아 전기차의 주행 거리를 획기적으로 높이고, 충전 시간을 절약할 수 있다.

특히, 포스코그룹의 이차전지소재 사업을 맡고 있는 포스코케미칼은 지난달 그룹사 증자규모로는 사상 최대인 1조원 규모의 유상증자를 단행한 바 있다. 전 세계에서 유일하게 양극재, 음극재는 물론 이들의 핵심 원료인 리튬과 니켈, 흑연을 공급할 수 있는 포스코그룹은 소재 밸류체인을 완성하고 2030년까지 리튬 22만톤, 니켈 10만톤을 자체 공급해, 2030년까지 양극재 40만톤, 음극재 26만톤 생산체제를 구축해 이차전지소재 부문에서 글로벌 시장 점유율 20%, 매출액 연 23조원을 달성할 계획이다.

▲아르헨티나 리튬 데모플랜트 전경 (PosLX공장 및 리튬 염수저장시설)

▲ 포스코가 아르헨티나 리튬 염호에서 탐사를 진행하고 있다

l 글 우아영 ‘과학동아’ 기자 

l 금속연료의 잠재력, 그 실현 가능성은?

2030년, K 씨는 출근 전 미세한 검은색 가루가 든 용기를 챙겼다. 지난밤 퇴근길에 자동차 연료가 떨어졌기 때문이다. 손에 든 가루는 바로 나노미터(10억 분의 1m) 크기의 강철 가루. 만화영화에 나올법한 상상 같지만, 실제로 철로 가는 자동차나 알루미늄을 태워 전기를 얻는 발전소를 가능케 할 ‘금속연료’ 연구는 이미 응용 단계에 접어들었다.

인류는 이미 오래전부터 금속을 태워서 이용했다. 공중에서 금속 가루에 불을 붙여 폭발시키는 불꽃놀이가 대표적이다. 그 열과 빛, 폭발력을 이제 자동차나 발전소에 써보자는 것이 바로 금속연료의 개념이다. 실제로 금속은 기체나 액체 연료보다 반응열이 훨씬 크기 때문에 연료로서의 잠재력이 몹시 크다. 예를 들어, LNG 1L에 저장된 에너지는 22.2MJ(메가 줄)인 데 비해 같은 부피의 철은 40.68MJ, 알루미늄은 83.8MJ에 달한다.

△ 금속 가루에 불을 붙여 폭발시키는 불꽃놀이는 금속을 연료로 쓰는 대표적인 사례다. 과학자들은 이때 발생하는 열과 폭발력을 자동차나 발전소에 써보고자 한다. ⓒJon Sullivan(위키미디어코먼스 퍼블릭도메인)

금속을 자동차나 발전소 등에 연료로 쓸 수 있는 방법은 크게 두 가지다. 고운 입자로 만든 금속에 불을 붙여서 산소와 반응시키는 방법이 있다(4Al+3O2→2Al2O3). 이 때 발생하는 뜨거운 열로 엔진을 가동시킬 수 있다.

금속 가루를 물과 반응시키는 방법도 있다. 초등학교 과학시간에 은빛으로 반짝거리던 순수 알루미늄에 물을 부었던 실험을 생각해 보자. 곧바로 부글부글 끓어오른다. 반응성이 너무 커서 곧바로 수산화이온과 반응했기 때문이다(2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2). 이 과정에서 수소기체와 열이 나온다. 수소기체 자체를 연료로 이용(연료전지)하거나, 뜨거운 열로 엔진이나 터빈을 가동할 수도 있다.

△ 미군의 열압력탄 폭발 장면. 알루미늄 분말이 폭발할 때 생기는 강력한 충격파로 시설이나 인명을 파괴하는 무기다. ⓒ미국과학자연맹(fas.org)

l 깨끗하고 편리한 연료… 연소 어려운 단점은 나노 과학으로 극복

l 물속이나 지구 밖에서 전기 만들 때 최고!

다행히 최근까지 금속연료에 대한 기초연구가 이뤄지면서 여러 대안이 나오고 있다. 예를 들어, 순수한 금속 가루의 표면을 녹는점이 낮은 물질로 코팅해서 연소를 쉽게 만드는 방법이 있다. 대표적인 예가 니켈이다. 니켈은 알루미늄보다 점화 온도가 낮은 데다, 금속 간 반응 때문에 열이 발생하면서 알루미늄을 더 빨리 태운다(금속 간 반응이란, 이온화 경향이 다른 금속이 접촉해 있을 때 전자가 이동하면서 일어나는 산화-환원 반응).

전 세계 금속연료 연구 그룹의 선두주자로 꼽히는 캐나다 맥길대 기계공학과 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀은 최근 직접 개발한 금속연료용 열엔진으로 기존의 화석연료용 엔진과 유사한 수준의 동력을 내는 데 성공했다. 연구팀은 학술지 ‘응용에너지’에 발표한 논문에서 “이런 목적으로 쓸 수 있는 1차 후보는 강철”이라며 “전 세계 제철이나 화학, 전자 산업에서 생산되는 강철 분말 수백만 t을 자동차 연료로 사용할 수 있다”라고 밝혔다.

△ 다양한 금속의 연소 특성 실험 장면. 최근 이 같은 금속연료의 기초 연구가 마무리 단계에 접어들었다. 과학자들은 발전소 등에 실제로 금속연료를 응용하기 위해 연구 중이다. ⓒ캐나다 맥길대 제프리 베르그토르손 교수

△ 캐나다 맥길대 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀이 최근 개발한 금속연료용 열엔진의 개념도. 여기서 나오는 열을 이용해 자동차나 가정용 발전기를 가동시킬 전망이다. ⓒ새뮤얼 고로신&제프리 베르그토르손(학술지 ‘응용에너지’)

과연 강철로 달리는 자동차를 타게 될 날이 올까. 금속은 아직 다른 연료 물질보다 비싸기 때문에 모든 연료를 대체할 수는 없을 것이다. 그러나 가장 흔히 쓰이는 산화제인 산소가 없는 상황, 즉 물속이나 지구 밖에서 전기를 만들어야 할 때 유용할 수 있다. 예컨대, 배나 잠수함을 타격하는 ‘초공동 수중 비행체’라는 무기는 금속 가루를 물과 반응시켜 추진력을 얻는다. 이를 켜고 끌 수 있는 기술이 개발된다면, 금속 가루와 바닷물을 반응시켜 추진력을 얻는 새로운 패러다임의 선박용 엔진도 기대할 수 있을 것이다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

포스코리포트 관련 글 더 보기

• 강하면서 유연하게, 지진을 이기는 철
• 십자군을 떨게 한 신비의 무기, 다마스쿠스 검
• 태양광 발전이 미래 에너지 해법이다
• 전기차의 핵심은 소재 기술이다!