왜 전기차는 추위를 많이 탈까?
전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리는 특성상 온도 민감도가 높아 저온 환경에서 성능 저하의 문제가 발생한다. 배터리 구성요소 중 하나인 전해질은 이차전지의 충·방전 과정에서 리튬이온이 양극을 오가는 통로 역할을 한다. 겨울철 기온이 떨어지면 액체로 이루어진 전해질이 굳으면서 내부 저항이 증가해 배터리 효율이 낮아지는 것이다.

따라서, 배터리를 어떻게 관리하냐에 따라 성능이 크게 달라져 올바른 관리가 중요하다. 전기차 관리법을 미리 파악하고 준비해 더욱 효율적인 겨울철 전기차 라이프를 누려보자.

배터리 과냉각 주의, 겨울철 실내 주차하기!

위에서 언급했듯 날씨가 추운 겨울, 외부에 오래 주차하게 되면 배터리가 과냉각되기 때문에 주행거리가 줄어들 뿐 아니라 자연스럽게 배터리 효율도 떨어져 방전되기 쉽다. 배터리 소모 방지를 위해서는 반드시 적정한 온도 유지가 가능한 실내 및 지하 주차장을 이용하는 게 좋다. 실내 주차를 할 경우 배터리 과냉각을 예방할 뿐 아니라 내부 온도 유지도 가능해 과도한 히터 사용을 막을 수 있고, 불필요한 배터리 소모도 줄일 수 있다.

주기적인 차량 하부 세차는 필수

겨울철 낮은 기온은 기체를 수축하기 때문에 타이어 속 같은 양의 공기가 들어있어도 공기압이 줄어들 수 있다. 타이어 공기압이 부족하면 제 역할을 하지 못해 방향을 바꿀 때나 속도를 줄일 때 미끄러질 위험이 커지며 자칫 사고로 이어질 수 있다. 주기적인 공기압 체크와 접지력이 높은 윈터 타이어 교체를 권장한다.

또한 눈이 많이 쌓인 날이라면 차량 하부를 깔끔하게 세차해 염화칼슘을 제거해 주는 것이 중요하다. 겨울철 제설 작업으로 인해 도로에 뿌려지는 염화칼슘이 도로의 모래, 먼지 등과 섞여 차량에 붙게 되면, 철과 반응해 염화철을 만들어 차량을 부식시키는데 일조하기 때문이다. 특히 전기차의 경우 차량 하부에 배터리가 탑재되어 있기 때문에 부식에 더욱 신경을 써야 한다.

배터리 급속 충전 말고 완속 충전!

전기차 사용자의 대부분은 급속 충전에 대한 선호도가 높은 편이다. 특히 가정용 완속 충전기가 없는 환경이라면 급속 충전 시설 의존도가 상당히 높다. 급속 충전은 완속 충전 대비 충전 속도가 매우 빨라 편리하지만, 배터리 셀에 부담을 줄 뿐 아니라 배터리 수명이 빠르게 단축될 수 있다. 따라서 겨울철 배터리 최적의 상태를 위해 월 1회 이상은 배터리 20% 이하일 때, 100%까지 완속 충전하는 것이 좋다. 완속 충전을 통해 배터리 팩 안에 있는 많은 셀들의 밸런스가 맞춰지기 때문에 배터리 효율을 오랫동안 유지할 수 있다.

전력 소모 높은 히터 사용은 자제!

전기차 실내 난방 시, 히트펌프* 사용을 추천한다. 엔진에서 버려지는 열에너지를 난방에 활용하는 내연기관차와는 달리 전기차는 히터를 작동시킬 만큼 폐열이 발생하지 않아 배터리 전력으로 히터를 작동하기 때문이다. 이에 전기차 내 모터 등의 부품에서 발생하는 폐열을 방출하지 않고, 전기차 실내 난방에 활용하는 히트펌프 시스템을 사용하면 보다 효율적인 배터리 관리가 가능하다. 또한 전력 소모량을 줄일 수 있어 주행거리 증가 효과도 볼 수 있다. 그 외에도 배터리 히팅 시스템, 열선 시트, 열선 핸들 등을 적극적으로 활용하는 것이 좋다.
*히트펌프 : 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치

지금까지 전기차 에너지 효율과 배터리 수명, 안전 운전을 위한 겨울철 전기차 관리법에 대해 알아보았다. 조금만 신경 써도 배터리의 컨디션을 오랜 기간 동안 균일하게 유지하고 전기차를 오래 탈 수 있다. 난감한 상황이 발생하기 전, 차량과 배터리 상태를 미리 체크해 슬기롭고 안전한 겨울철 전기차 라이프를 즐기길 바란다.

모바일 기기에 탑재되는 소형전지 중심의 2차전지 산업은 전기자동차(EV), 에너지저장시스템(ESS)용 중대형전지를 생산하면서 그 위상이 크게 변화했다. 더불어 ‘전동화·무선화·친환경화’이라는 글로벌 트렌드의 부상으로 성능이 우수한 2차전지에 대한 수요가 급증하는 추세다.

l 리튬이온배터리 구조와 작동 원리

현재 배터리의 주류로 자리 잡은 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 4가지 요소로 구성되며, 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치다. 다시 말해 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리다.
*산화환원 반응이란 반응물 간의 ‘전자(e-) 이동’으로 일어나는 반응으로, 전자를 잃은 쪽을 ‘산화’됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 ‘환원’됐다고 말한다.

l 힘 세고 오래가는 배터리의 근원, 양극재

배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 ‘용량’과 ‘전압’을 결정하는 핵심 소재다. 리튬이온배터리를 구성하는 네 가지 요소 중 양극재에 더욱 주목해볼 만한 이유다. 특히나 양극재 시장은 전기차 및 에너지저장시스템 등의 수요가 급성장함에 따라 연평균 33% 증가해 2025년에는 275만 톤 규모로 성장할 전망이다.

배터리 성능과 특성을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있다. 주로 사용되는 금속 성분은 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상하는 알루미늄(Al)으로, 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 △용량 △에너지밀도 △안정성 △수명 △가격경쟁력이 달라진다. 전기차로 쉽게 설명하자면, 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 배터리의 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미친다.
국내 전기차 배터리 사업자들은 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 두 종류의 삼원계 배터리*를 주력으로 하고 있다. 그중에서도 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 현재 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용되고 있다.
*삼원계 배터리 : 양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 다른 금속 원소를 추가해 총 세 가지 금속 원소가 들어간 배터리를 의미한다.

최근 원자재 가격 변동에 따라 값비싼 코발트의 함량을 줄이고, 니켈의 함량을 60% 이상으로 높인 ‘하이니켈 배터리’가 개발되는 추세다. 니켈 비중을 높이면 동일한 크기의 배터리에 용량을 증대시켜, 전기차 주행거리를 확보할 수 있는 장점도 있기 때문이다. 다만, 니켈 함량이 높아질 때 안정성이 떨어지는 단점이 있어, 안정성을 높이기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.

NCA의 경우 니켈, 코발트, 알루미늄의 구성 비율이 8:1:1로, 니켈 함량이 높고 알루미늄이 포함돼 타 소재에 비해 배터리 밀도와 출력이 높다. 이러한 이유로 NCA는 원통형 배터리 등 소형전지에 주로 쓰이고 있다.

CATL 등 중국계 배터리 제조사에서 주로 생산하는 LFP(리튬·인산·철)는 코발트와 니켈을 사용하지 않고, 대신 철(Fe)를 사용한다. NCM 대비 약 30% 이상 저렴하며 안정성이 높은 반면, 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점이 있다. 이에 에너지 밀도를 높여 주행거리를 확보하는데 집중하고 있다.

l 양극재 생산능력 확대에 강세 보이는 포스코케미칼

현재 포스코케미칼의 양극재 생산능력은 올해 말 기준 연산 10.5만 톤에서 2025년 34.5만 톤, 2030년 60.5만 톤까지 확대해 2030년까지 글로벌 1위 수준의 양극재 양산 능력을 확보할 계획이다. 포스코케미칼은 단일공장 기준 세계 최대수준의 연산 9만 톤 수준의 양극재 광양 공장을 올해 10월 준공할 예정이다. 포스코그룹은 원료 경쟁력과 양산 능력이 집적된 광양만 율촌산단의 양극재 컴플렉스를 통해, 배터리소재 글로벌 선도기업으로의 도약을 목표로 하고 있다.

전기차 시장의 확대와 함께 에너지 저장 밀도의 증가, 안전성 향상, 급속 충전 등 리튬이온전지의 성능 향상에 대한 요구가 계속해서 높아지고 있는 상황이다. 기존 소재의 성능 향상과 핵심 기술에 대한 지속적인 연구 개발을 통해 안전하면서 지속가능한 새로운 양극소재를 발굴해 우리 삶의 풍요를 가져오길 기대한다.

AI, IoT, 웨어러블 기기(Wearable Device) 등 정보통신기기와 전기자동차 산업 분야 성장의 동력원으로 ‘이차전지’ 필요성이 점차 커지고 있다. 전 세계 기업들은 뚜렷한 성장세를 보이는 2차전지 시장에서 우위를 선점하고자 기술개발에 뛰어들고 있다.

2차전지는 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 1차전지와 달리, 방전이 되면 충전을 통해 반영구적으로 재사용할 수 있다. 다시 말해 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 전환해 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치다.

2차전지는 지난 120여 년 동안 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 형태로 일상생활에서 유용하게 쓰이고 있었다. 대표적인 2차전지로 꼽히는 ‘리튬이온전지’는 휴대용 전자기기 사용자 수가 늘면서 잦은 충전 없이 오래 쓸 수 있는 배터리를 요구하는 목소리가 커지자 개발된 것으로, 1990년 일본 SONY사가 최초로 상용화한 이래로 현재까지도 그 원천기술을 근간으로 삼고 있다.

리튬이온배터리는 높은 에너지밀도와 우수한 출력을 자랑하고, 메모리 효과*가 없어 수명이 길다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다.
*메모리 효과 : 충전지를 완전 방전되기 전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전으로 기억하는 효과를 가지게 되어, 최초에 가지고 있던 충전용량보다 용량이 줄어들면서 충전지 수명이 줄어드는 현상을 말한다.

특히, 2차전지는 전기차가 급부상하면서 없어서는 안될 존재가 되었다. 전기차 생산 업체가 2차전지를 소비하는 가장 큰 고객군이기 때문이다. 전 세계 국가들이 환경오염을 줄이기 위해 내연기관차 퇴출과 동시에 전기차 보급 확대를 본격화하고 있다. 전기차 구매 유도를 위한 보조금도 늘어나는 추세다. IEA에 따르면 2020년 전기차 판매를 지원하기 위해 각국 정부가 전년 동기 대비 25% 증가한 140억 달러를 지출했다고 한다.

국제에너지기구(IEA)는 ‘2021 글로벌 전기차 전망’ 보고서를 통해 2030년까지 글로벌 시장에서 보급되는 전기차가 최대 2억 3,000만 대에 이를 수 있다고 내다봤다. 현실화할 경우 현재 글로벌 자동차 시장에서 3%에 불과한 전기차 점유율은 12%로 급등하게 된다.

전기차 시장이 급성장하면서 배터리의 주요 원자재인 리튬의 수요도 급증했다. 현재 리튬계 이차전지에 사용되는 리튬의 원료로 탄산리튬과 수산화리튬이 사용되고 있다. 탄산리튬은 주로 스마트폰, 노트북, 전동공구용 등 에너지 용량과 밀도가 상대적으로 낮은 배터리 제작에 사용된다. 수산화리튬은 탄산리튬보다는 에너지밀도와 용량이 높은 배터리 제작에 사용된다. 특히 수산화리튬은 한 번 완충시 500km이상 주행거리가 나오는 고용량 전기차 배터리에 제격이기에 사용량이 점차 증대하고 있는 상황이다.

다만, 단기간 내 리튬의 생산량 확대에 한계가 있어 리튬의 가격이 폭등한 상황이다. 이에 각국은 안정적으로 원자재를 확보하기 위해 리튬 프로젝트를 진행하고 배터리 제조 능력을 키우는 등 다양한 시도를 하고 있다.

이에 따라 포스코도 그룹의 성장 동력으로 이차전지소재 사업을 집중 육성하기 위해 원료와 소재 사업에 지속적으로 투자하고 있다. 포스코는 독자적으로 개발한 고유 리튬추출기술을 보유하고 있다. 이 기술은 광석 및 염수를 원료로 사용하여 배터리급 고순도 리튬을 만드는 기술로, 포스코는 2017년 탄산리튬, 2018년 수산화리튬을 각각 국내 최초로 생산하기 시작했다.

▲아르헨티나 염수리튬 시범공장 전경. 이차전지 양극재의 핵심 소재인 리튬은 전기를 생성, 충전하는 역할을 한다.

해외 원료확보에도 적극 나섰다. 2018년 포스코가 인수한 아르헨티나 염호 ‘옴브레 무에르토’ 매장량은 1,350만 톤으로 전기차 3.7억 대(대당 배터리 용량 55.7kwh 기준)를 생산할 수 있는 양이다. 2020년에는 아르헨티나 염수리튬 데모플랜트 검증을 성공적으로 완료했다. 포스코는 전 세계에서 유일하게 폐2차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 연간 6만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망하고 있다.

리튬 전쟁이라는 용어가 등장하면서 리튬 확보량, 가공능력이 최근 국가 경쟁력으로 언급되고 있다. 하지만 장점이 많은 만큼 극복해야 할 과제도 있다. 전 세계 리튬 배터리 대부분이 사용 후 쓰레기가 되고 약 5%만이 재활용되는 상황에 처해있다. 치솟는 리튬 배터리 수요를 충족시키기 위해 친환경적으로 재활용할 수 있는 방법을 모색할 수 있도록 더욱 적극적인 기술 개발이 진행되어야 할 시점이다.

포스코케미칼은 음극재 생산에도 힘을 쏟고 있는데, 지난 ‘19년 말, 세종시에 음극재 2공장을 1차 준공했다. 현재 연산 4만4천 톤의 음극재 생산체제에 더불어 증설을 추진하면서 2차전지 소재 수요에 더욱 능동적으로 대응해 나가고 있다. 양극재, 음극재 및 이들의 원료인 리튬까지 포함해 2차전지 소재사업을 신성장동력으로 준비해 나가고 있는 포스코그룹의 사업추진 현황을 뉴스룸이 정리했다.

l 포스코그룹에게 2차전지 소재사업이란?

포스코그룹에게 2차전지 소재사업은 확고한 ‘신성장 동력’. ‘18년 11월, 포스코그룹은 2030년까지 그룹의 철강, 글로벌인프라(비철강), 신성장 부문의 비즈니스 매출 비중을 40 : 40 : 20로 설정하면서, 신성장 부문의 2차전지 소재사업을 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 17조원 규모로 키워 그룹 전체 성장을 견인할 계획임을 밝힌 바 있다.

2차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 네 가지 소재로 구성된다. 포스코그룹은 이 중 양극재와 음극재, 그리고 양극재의 원료인 리튬을 생산하고 있다. 철강기업 포스코와 그룹사들이 2차전지 소재사업에 뛰어든 이유는 무엇일까?

우선 산업환경이 변화하고 있다. 전기자동차를 중심으로 한 친환경 모빌리티 및 전력저장장치 산업의 가파른 성장으로 2차전지 소재 수요는 지속적으로 증가추세다.

주요 리서치 기관에 따르면 글로벌 전기차 시장은 순수전기차(BEV+PHEV) 기준, 2020년 300만대에서 2025년에는 900만대로 급격하게 성장하고, 이에 따라 대표적 2차전지인 LiB(Lithium Ion Battery, 리튬이온배터리)시장규모도 ‘20년 329GWh(Gigawatt-Hour, 100만 KW를 시간당 사용하는 양의 단위)에서 2025년에 610GWh로 연평균 22%이상 성장할 것으로 전망된다.

*BEV(Battery Electric Vehicle, 100% 배터리에 의지하는 전기차)
*PHEV(Plug-In Hybrid, 배터리와 내연기관 동력의 혼합형 전기차)

전기차 시장의 견인으로 2차전지 시장 또한 ‘30년에는 현재 대비 약 3.2배 성장이 기대되며, 이에 따라 양극재, 음극재 및 리튬시장 역시 지속 성장이 전망된다. 이러한 외부환경 변화는 포스코그룹의 역량을 발휘할 수 있는 좋은 기회다. 가장 먼저 포스코그룹은 글로벌 완성차사에 철강제품을 공급하고 있기 때문에 자동차산업에 대한 이해도가 높다.

또한 포스코의 경우 철광석, 석탄, 니켈, 크롬, 망간 등 제철 공정에 필요한 수많은 원료와 부원료를 다뤄 본 경험이 있다. 자원이 부족한 우리나라의 한계를 극복하기 위해 오랜 기간 해외자원개발과 투자를 해온 풍부한 경험은 성공적인 2차전지 소재 원료 확보와 직결된다.

마지막으로 포스코 철강제품 생산 밸류체인에서 발생하는 다양한 공정기술 및 부산물(by-product) 등을 활용, 소재 사업을 확장해나갈 수 있다. 포스코 제철소에서 코크스 제조 시 발생하는 콜타르를 포스코케미칼 자회사 피엠씨텍(PMCTECH)에서 침상코크스로 만들어 이후 음극재 원료가 되는 인조흑연을 생산하는 것이 대표적인 사례다.

l 포스코그룹 2차전지 소재사업 추진 구조

그렇다면 포스코그룹은 현재 어떻게 2차전지 소재사업을 추진하고 있을까. 포스코그룹 2차전지 소재사업 추진 구조를 도식으로 정리하면 아래와 같다.

포스코는 양극재 및 음극재 원료인 리튬과 콜타르를 공급하며, 포스코케미칼에서 이를 원료로 NCM*(니켈, 코발트, 망간), LMO*(리튬, 망간, 산화물)등의 양극재 및 천연흑연 음극재를 생산해 배터리 제작社에 공급한다. 올해부터는 그룹사인 피엠씨텍에서 생산하는 침상코크스를 활용한 인조흑연 음극재 사업도 추진할 계획이다.

l 포스코그룹 2차전지 소재사업 추진 현황

(1) 포스코 – 2차전지 소재의 ‘리튬’ 원료 확보와 생산
포스코는 고유 리튬추출기술인 PosLX(POSCO Lithium eXtraction)기술을 보유하고 있다. PosLX기술은 광석 및 염수를 원료로 사용하여 배터리급 고순도 리튬을 만드는 기술이다. 포스코는 2017년 탄산리튬, 2018년 수산화리튬을 각각 국내 최초로 생산하기 시작했다. 해외 원료확보에 대한 노력도 멈추지 않았는데, 2018년에는 호주 필바라 미네랄스(Pilbara Minerals)사로부터 연간 4만톤의 리튬을 생산할 수 있는 리튬정광 장기구매 계약을 맺고, 아르헨티나 갤럭시사와 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 염호의 광권에 대한 인수계약도 체결해 원료 수급 문제를 해결했다.

광양에 건설하는 광석리튬 공장(‘22년 내)과 아르헨티나에 건설하는 염수리튬 공장(‘23년 내)이 모두 완공되면 포스코는 수년 내 연산 6만5천톤 규모의 수산화리튬을 생산하는 체계를 갖춰 포스코케미칼 양극재 공장에 안정적으로 소재를 공급할 전망이다.

(2) 포스코케미칼 – 양극재, 음극재 대량생산 체제 구축中
포스코는 지난해 4월 포스코켐텍의 음극재, 포스코ESM의 양극재 사업을 일원화 하고, 마케팅-생산- R&D 체계를 통합해 운영 효율과 고객 대응력을 제고하는 차원에서 ‘포스코케미칼’을 출범했다. 구조 재편 이후 포스코케미칼은 생산설비 투자에 박차를 가하고 있다.

양극재의 경우 구미공장 9천톤, 전기차 제품 전용 광양공장 3만톤, 여기에 중국 절강포화(세계 최대 코발트 생산업체인 중국 화유코발트사와의 합작사로 중국 저장성에 위치) 5천톤 공장까지 합치면 그룹 차원에서 양극재 4만4천톤 생산체제를 갖추고 있다. 광양공장은 향후 시장 상황에 따라 연 9만톤까지 생산능력을 늘려 나갈 계획이다. 이는 3세대 전기차(1회충전 주행거리 약 500km) 약 75만대에 공급할 수 있는 양이다. 광양공장에서 생산된 양극재는 국내를 비롯해 유럽, 중국, 미국 등에 위치한 다수의 전기차 배터리 생산라인에 공급된다.

▲ 포스코케미칼이 광양 율촌산단에 축구장 20개 크기인 165,203㎡ 면적으로 조성하고 있는 양극재 광양공장과 부지 전경

특히 지난 14일 준공한 광양 양극재 공장은 포스코그룹의 최첨단 스마트팩토리 기술을 적용해 원료, 전구체, 반제품, 제품을 실시간으로 자동 이송하는 시스템을 도입하고, 자동화 창고와 제품설계, 공정관리, 출하관리가 일원화된 통합관제센터를 운영하는 등 ‘높은 생산성과 안정적 품질관리로 경쟁력을 확보했다’는 평이다.

전기차 성능개선은 2차전지 성능개선에 비례한다. 전기차는 주행거리 증대를 위해 니켈 비중이 높은 고용량 양극재에 대한 니즈가 늘어나고 있는데, 포스코케미칼은 현재 니켈 비중 65% 양극재 제품을 주력으로 양산하고 있으며, 니켈 비중 90% 이상 제품도 개발하고 있다.

음극재의 경우 작년 세종 제2공장 1단계 생산설비 준공으로 연산 4만4천톤 글로벌 Top플레이어 수준의 천연흑연 음극재 생산체제를 구축했다. 또한 음극재 제품포트폴리오 다양화를 위해 천연흑연 外 포항에 인조흑연 공장도 구축할 예정이다. 포스코케미칼은 양극재, 음극재를 모두 공급하는 2차전지 소재 Total Supplier로서 전기차시장에서 그 입지를 확고히 해나가고 있다.

(3) RIST, 포스텍과 함께 R&D 협력체계 구축
포스코는 그룹 차원에서 2차전지 소재 R&D 경쟁력 강화를 위해, RIST, 포스텍과 긴밀한 협력을 진행하고 있다. 특히, 지난해 6월에 설립된 포스코그룹 2차전지 소재연구센터에서는 전기자동차 성능향상을 위한 차세대 양극재, 음극재 제품개발과 전지 원가경쟁력을 높일 수 있는 신공정 기술을 개발하고 있다. 또한, 연구센터에서는 2차전지 성능평가 인프라를 통해 자체 생산한 양극재, 음극재를 전지로 만들어서 고객들이 원하는 다양한 평가를 수행할 수 있게 되었다.

한편, 포스텍은 작년 5월 포스코케미칼과 ‘산학일체연구센터’를 공동으로 구축해 △2차전지 소재 △탄소 소재 △화학 소재 등 세가지 분야의 공동연구를 통해 산학협력을 강화하고, 산학 파견 및 장학생 제도 등을 통해 전문인력을 양성하고 있다. 포스코케미칼과 포스텍은 2024년 5월까지 1단계 협력을 통해, 고성능 양극재, 음극재 및 프리미엄급 신규 활성탄 소재 개발 등에 함께 노력할 계획이다.

포스코 그룹 성장의 큰 축을 담당할 2차전지 소재산업. 약 10년 간 꾸준히 추진해온 2차전지 소재산업이 포스코그룹의 다음 50년을 책임지는 견인차 역할을 하기를 기대해본다.

*참고기사: 2차전지, 들어는 봤는데 아직 잘 모르겠다면?

포스코는 이미 그룹사 차원에서 2차전지 핵심 소재를 미래 신성장 사업으로 육성해왔다. 일반인에게는 다소 생소하게 느껴지는 2차전지. 포스코뉴스룸과 미래 먹거리로 불리는 2차전지에 대해 알아보자.

2차전지는 뭘까? 그럼 1차전지도 있을까?

▲이차전지인 리튬이온전지의 제조공정상 구성요소 및 산출물. 푸른색으로 표시된 영역은 포스코가 미래 신성장 사업으로 추진 중인 사업이다.

답은 YES. 1차전지도 있다. 1차전지는 쉽게 말해 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리다. 한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 하는데 건전지, 알칼리전지가 대표적인 1차전지라고 할 수 있다.

2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생한다.

충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차전지로 꼽힌다.

양극재와 음극재는 무엇일까?

▲리튬이온 전지 개념도

양극재는 배터리의 (+)극, 즉 양극을 만드는 소재로 포스코그룹에서는 포스코ESM이 양극재를 생산하고 있다. 포스코ESM에서는 최근 니켈 80% 이상 고용량 Gradient-NCM 활물질도 세계 최초로 양산하는 등 후발주자임에도 불구 기술력에서 세계 유수의 이차전지 활물질 회사와 어깨를 같이 하고 있다.

음극재는 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재로 현재 포스코켐텍이 국내 유일의 음극재 양산 업체다. 포스코켐텍은 지난 11월 음극재 1공장을 종합준공하고 2019년 하반기까지 1단계인 4개의 생산라인을 완공해 연산 2만톤 생산능력을 확보하고 향후 시장 상황에 따라 2021년까지 총 10개의 생산라인을 순차적으로 증설해 연산 5만톤 규모로 확장할 계획이다.

리튬이온 배터리의 장점은?
앞서 설명한 1차전지의 경우, 한 번만 사용하고 버리게 되는데 이때 새 배터리를 만들기 위해 더 많은 자원이 소비된다. 방전 후에는 화학물질로 인해 환경오염을 일으킬 수 있다는 단점이 존재한다. 반면 2차 전지는 충전을 통해 500~2000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.

대표적인 2차전지로 꼽히는 리튬이온 배터리 역시 수명이 길다는 장점이 있다. 또 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하며 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않는다. 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없고, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점도 있다.

글로벌 2차전지 시장에서의 포스코는?

▲양극재를 생산하는 포스코ESM 구미 공장의 소성 공정 라인.

리튬은 전기차 및 에너지 저장 장치(ESS)의 필수 소재다. 리튬 수요량은 지난 2017년 25만 톤에서 2025년까지 71만 톤으로 약 3배가량 급증할 전망이다.

이처럼 리튬은 성장성이 높은 사업이다. 포스코는 지난 8년간의 노력으로 리튬 상업화 초기 단계까지 왔다. 2010년 포스코는 리튬 직접 추출 기술을 세계 최초 개발했다. 2013년부터 2015년까지 칠레 및 아르헨티나 염호에서 리튬 시험 생산에 성공했으며 2016년에는 광양제철소 내 연산 2,500톤 데모 플렌트를 건설하고 지난해 2월부터 탄산리튬을 생산하고 있다.

포스코는 올해 고성능 전기차용 배터리에 주로 사용되며, 공정관리가 까다로운 수산화리튬까지 생산에 성공했다. 국내 업체가 전량 수입에 의존하고 있는 고품위 수산화리튬을 국산화해 공급함에 따라 국내 리튬 2차전지 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.

┃2차 전지의 핵심은 리튬

(출처 : 플리커)

리튬은 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속하며, 원자 번호는 3이다. 다시 말해 지구상에 존재하는 물질 중 세 번째로 가벼운 물질이라는 뜻이다.

최근 리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 ‘하얀 석유’라고도 불리게 된 것은 2차전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문이다. 휴대전화, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이어 전기 자동차, 로봇 산업에 필요한 2차 전지를 만들기 위해 리튬은 필수적인 소재로 주목받고 있다.

리튬을 활용한 2차 전지는 보통 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만들어 낸다. 일반 전지의 전압은 약 1.3~2 볼트가량인데, 리튬이 포함된 전지의 전압은 3볼트 이상이다. 또한 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.

┃포스코가 선택한 미래 먹거리

▲포스코가 광권을 아르헨티나 북서부에 위치한 ‘옴브레 무에르토(Hombre Muerto)’ 염호 전경.

포스코는 당초 염호에서 리튬을 추출하는 기술을 기반으로 리튬 사업을 추진했으나, 염호 확보가 지연되면서 폐이차전지로부터 리튬을 생산하는 기술과 광석인 리튬정광으로 리튬을 추출하는 기술을 함께 개발하는 성과를 이뤘다.

올해 10월에 리튬 광석으로 제조가 가능한 설비를 준공해 폐이차전지뿐만 아니라 광석을 이용해서도 리튬 생산도 가능해졌다. 2021년부터는 광산권을 인수한 아르헨티나 염호로부터 리튬을 생산할 예정이다.

포스코는 전 세계에서 유일하게 폐이차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 연간 5만5,000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망된다. 리튬 5만5,000톤은 전기차 약 110~120만대 분의 베터리를 제조할 수 있는 분량이다.

포스코는 지난달 5일 최정우 회장 취임 100일 맞아 ‘100대 개혁과제’를 발표하고 그룹 내 양·음극재 사업 통합, ‘이차전지 소재 종합연구센터’ 설립해 고객 맞춤형 제품개발로 시장을 선도하고 있다. 오는 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 17조 원 규모의 사업으로 키워 그룹 성장을 견인할 예정이다.

아울러 제철 과정에서 발생하는 부산물을 활용해 음극재 및 전극봉의 원료가 되는 침상코크스 생산공장을 포스코켐텍에 신설해 고부가 탄소 소재 사업으로 영역을 확대해 나갈 계획이다.