21세기에 들어 석유, LNG 같은 화석연료의 지속적인 가격 상승과 함께 러시아-우크라이나 사태 발발로 에너지 수급에 비상이 걸렸다. 현재 세계 각국은 자국 상황에 맞춰 에너지 공급망 강화를 위한 ‘자원안보*’에 주력하고 있다. 멕시코의 리튬 국유화, 인도네시아의 주요 광물 수출 중단 조치 등 자원 무기화 기조가 강화되면서 에너지 자립의 중요성이 점차 부각되고 있다.
*자원안보 : 핵심자원을 안정적인 가격에 중단 없이 공급할 수 있도록 상시 및 비상시 대응능력을 확보하고 공급망을 안정적으로 유지 및 관리하는 것을 말한다.

무엇보다 미래 먹거리 중 하나인 전기차 시장 확대로 배터리 수요가 크게 늘자, 배터리의 핵심 광물인 리튬을 얼마나 많이 확보하느냐가 관건이 되고 있다. 배터리 구성 요소 중 양극재는 배터리의 용량과 수명 및 안정성을 결정짓는 핵심 소재이며, 리튬이 양극재 원가에서 차지하는 비중이 매우 높기 때문이다.

l 소재산업 경쟁력과 직결된 리튬의 안정적 확보

리튬은 전기차 배터리 1GWh(기가와트시·전기차 1만 5000대 분량)를 생산하는데 700t가량 필요한데, 포스코경영연구원의 ‘글로벌 리튬 산업 7대 이슈’ 보고서에서 오는 2025년 리튬 총수요를 82만 1000톤으로 내다볼 만큼 리튬의 안정적인 공급망 구축이 중요해지고 있다.

문제는 국내 리튬 수요가 전량 해외에 의존하는 구조라는 점이다. 전 세계 리튬의 87%가 소금바다라 일컫는 염호에 매장되어 있다. 주요 리튬 공급처로는 볼리비아, 아르헨티나, 칠레, 미국, 호주, 중국 등의 염호가 있다. 현재 우리나라의 경우, 전체 리튬 수입의 95%를 중국(64%), 칠레(31%)에 의존하고 있다. 특히, 국내에서 삼원계 배터리(NCA·NCM) 생산이 98%에 다다를 정도로 향후 중국에서 수입해 오는 수산화리튬에 대한 의존 구조가 더욱더 심화될 가능성이 보이고 있다. 이에 국내 기업들은 배터리 소재산업의 경쟁력을 강화하기 위해 직접 자원 개발 사업을 뛰어들기 시작했다.

l 국내 기업 최초! 현지 리튬 상업화 도전

대표적으로 포스코홀딩스는 지난 2010년부터 그룹의 미래 먹거리를 ‘리튬’으로 주목해 2018년 약 3천 억을 투자해 아르헨티나 옴브레 무에르토(Hombre Muerto) 리튬 염호를 인수했다. 2020년에는 국내 기업 최초로 채굴·제련하는 데모 플랜트 가동을 성공적으로 마무리하고 상업화를 본격적으로 추진해오고 있다.

포스코홀딩스가 인수한 현지 염호의 면적은 서울 면적의 약 3분의 1에 해당하는 1만 7,500ha(헥타르) 규모다. 여기서 주목할 만한 점은 추정된 매장량이 인수 당시 매장량 추정치보다 6배 늘어난 약 1,350만 톤에 달한다는 점이다. 이는 전기차 약 3억 7천만 대를 생산할 수 있는 수준이다. 옴브레 무에르토의 또 다른 장점은 아르헨티나의 다른 염호들과 비교해서 리튬 농도는 높고 불순물의 농도는 상대적으로 낮아 세계 최고 수준의 생산성을 가진 것으로 알려졌다. 이에 더해 포스코그룹이 독자 개발한 리튬 추출 기술로 수율도 높이면서 생산 기간을 크게 단축할 수 있다는 것이 특징이다.

포스코홀딩스 고유의 리튬 직접 추출 기술은 1ℓ당 평균 0.9g가량 리튬이 매장된 염수는 지하 수백 미터 속에 묻혀 있어 관정을 뚫어 땅 속에 고여있는 염수를 뽑아 올린다. 이후 바닷물을 건조시 소금을 만들어내는 염전과 비슷한 형태인 ‘폰드’에서 4단계에 걸쳐 건조 공정이 이어진다. 이 과정에서 농축된 염수는 상공정을 통해 칼슘·마그네슘 등의 불순물을 제거하고 여전히 남아 있는 수분을 재차 건조시키는 과정을 거친다. 이렇게 만들어진 인산 리튬은 한국 광양과 살타시 인근에 건설 중인 하공정 공장을 통해 양극재에 활용되는 수산화리튬으로 제조되는 것이다.

포스코홀딩스는 아르헨티나 현지에서 수산화리튬까지 모두 생산하는 1단계 공장을 2024년 상반기 양산을 목표로 지난해 3월 착공에 돌입했다. 1단계의 연 생산량은 전기차 약 60만 대를 만들 수 있는 2만 5천 톤으로 계획하고 있다. 포스코홀딩스는 최종적으로 2030년까지 리튬 생산 연 30 만톤 체제를 완성한다는 목표로 이차전지 공급망 주도권 확보에 박차를 가하고 있다. 이를 통해 포스코케미칼을 비롯해 국내 양극재 생산 업체에도 리튬 공급을 늘릴 수 있어 핵심 광물 확보 경쟁이 치열해지는 글로벌 공급망 위기 속 국내 원료수급 안정화에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

포스코홀딩스는 2030년까지 광석리튬으로 15만 톤, 염수리튬으로 12만 톤, 3만 톤은 폐배터리 재활용으로 ‘리튬 30만톤 생산 목표’ 달성을 이루고자 한다. 염호는 아르헨티나에서 직접 채취해 생산에 나서는 한편, 2018년 호주 광산업체 필바라미네랄스로부터 리튬 정광을 장기 공급받는 광석리튬의 안정적인 수급체계를 구축했다. 이에 더해 호주 광물개발업체 ‘진달리리소스’와 업무협약을 맺고 광석과 염수에 이어 미국에서 점토 리튬 사업을 추진하기로 했다. 이번 협약을 통해 진달리리소스는 미국 현지에서 탐사 중인 광구에서 점토 리튬을 시추해 제공하고, 포스코홀딩스는 이를 활용해 RIST와 공동으로 최적 리튬추출공정 기술을 개발하고 사업성 검토를 진행할 예정이라고 한다.

포스코홀딩스는 리튬 이외에도 △호주의 니켈 제련 회사 레이븐소프의 지분 인수 △탄자니아 흑연 광권 확보 △폐배터리 리사이클링 사업 진출 등 원료 밸류체인 강화에 속도를 높이고 있다. 이로써 포스코그룹은 세계에서 유일하게 리튬·니켈·흑연 등 2차전지 원료부터 전구체 및 양·음극재 및 차세대 소재까지 생산·공급하는 밸류체인을 구축하고 있다.

포스코홀딩스는 10년 이상 연구개발 끝에 친환경 리튬 추출 기술을 확보했으며, 전고체 전지용 황화리튬과 리튬메탈 등의 고부가가치 제품 개발도 진행해 미래 성장의 발판을 계속해서 마련하고 있다. 기존 철강 중심의 사업 구조에서 벗어나 친환경 미래소재 대표기업으로 도약하기 위해 선제적으로 확보한 공급체계 구축으로 글로벌 생산능력을 확보해 나갈 것으로 기대된다.

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.

포스코가 초고강도 기가스틸, 포스코대우의 모터코어, 포스코켐텍의 배터리 소재, 포스코ICT의 충전인프라까지 전 그룹사 역량을 총 집결해 ‘전기차 토탈 솔루션’을 완성하고 전기차 시장 선도에 나섰다.

포스코의 기가스틸은 각종 환경규제와 전기차 등장에 따라 고연비 자동차 시장에서 이미 뜨거운 관심을 받고 있는 제품이다. 기가스틸은 강판을 잡아당겨 찢어지기까지의 인장강도가 980MPa(1기가파스칼) 이상인 초고강도 강판이라 다른 대체 소재보다 훨씬 얇은 판재로 가공이 가능해 자동차 무게를 줄일 수 있고 결과적으로 연비 개선이 가능하다. 르노삼성자동차와 쌍용자동차, 혼다 등 여러 국내외 자동차 차체에 포스코 기가스틸이 쓰이고 있다.

포스코대우는 포스코의 최첨단 무방향성 전기강판 Hyper NO를 적용한 고효율 구동모터로 전기차의 연비 향상과 성능 개선을 책임진다. 포스코가 원천특허를 보유한 ‘셀프본딩’ 기술로 만든 Hyper NO는 전기에너지를 회전에너지로 변환시키는 과정에서 필연적으로 발생하는 에너지 손실을 기존 대비 30% 절감한 제품으로, 이를 적용한 포스코대우의 구동모터는 효율성 개선과 동시에 구동시 발생하는 소음 절감의 장점을 갖는다. 포스코는 ‘17년 2월 신규 설비를 준공해 Hyper NO 생산규모를 연 16만톤으로 늘리고 연간 약 260만대의 전기차에 공급할 수 있는 수준으로 확대했다.

포스코의 전기차 토탈 솔루션은 전기차 배터리의 핵심인 에너지저장소재도 포함한다. 포스코는 자체 개발한 PosLX 기술을 적용해 국내 최초 수산화리튬 생산라인을 준공하고 2차전지의 필수 소재인 수산화리튬 생산에 박차를 가하고 있다. 포스코ESM은 니켈 함량을 80%까지 높여 용량, 수명, 안전성 측면에서 모두 우수한 고용량 양극재를 공급한다. 포스코켐텍은 2차전지 제조사들도 인정한 높은 품질의 음극재를 생산한다. 지난 3월에는 생상 공장을 증설해 연간 1만6천톤 규모로 생산 능력을 2배 이상 늘렸다.

포스코ICT는 전기차 충전인프라 분야에서 국내 최대 규모의 사업자다. 전국 100여개에 이르는 이마트 매장을 비롯해 호텔, 영화관, 아울렛 등 주요 거점에 3천여 기의 전기차 충전기를 운영하고 있다. 뿐만 아니라 충전기 원격 운영 관리, 충전 요금 과금 및 정산, 이용 내역 관리 등의 부가 서비스도 함께 제공한다.

창립 50주년을 맞아 철강을 넘어 에너지소재, 인프라 기업으로의 ‘POSCO 100’ 비전을 선포한 포스코는 전기차 시장을 신성장 동력의 핵심으로 보고, 경량소재, 구동모터, 배터리, 인프라 총 4개 분야의 전기차 토탈 솔루션을 중심으로 그룹 역량을 더욱 키워 갈 계획이다.

포스코가 국내 최초로 연산 1,500톤 규모의 수산화리튬 생산라인을 준공하고 4월부터 생산에 들어갔다.

▲포스코가 4월부터 국내 최초로 연산 1500톤 규모의 수산화리튬 생산에 들어갔다. 사진은 PosLX 공장 내에 위치한 수산화리튬 생산라인 전경.

수산화리튬은 탄산리튬과 함께 리튬이차전지에 필수적으로 사용되는 대표적인 소재이다. 탄산리튬은 노트북과 휴대폰 배터리 등의 소재로 쓰이는 반면 수산화리튬은 고성능 전기차용 배터리에 주로 사용되며 공정관리가 까다로운 제품이다.

이번에 생산 개시한 수산화리튬 라인은 폐이차전지에서 수거한 인산리튬을 전환농축 작업을 거쳐 수산화리튬으로 만드는 공정으로 리튬회수율이80% 이상이라 경제성이 높으며 제조과정에서 고형 폐기물이 발생하지 않아 친환경적이다. 불순물 함량도 경쟁사 제품대비 1/3 수준으로 낮다.

향후 포스코는 인증절차를 거쳐 LG화학, 삼성SDI 등 국내외 배터리제조사에 판매할 계획이다. 국내 업체가 전량 수입에 의존하고 있는 고품위 수산화리튬을 국산화하여 공급함에 따라 국내 리튬이차전지 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.

권오준 회장은 “리튬은 포스코의 핵심적인 신성장동력이며 지난 8년간의 노력으로 상업화 초기단계까지 왔다”며 “리튬뿐만 아니라 국내에서 공급하지 못하는 소재를 포스코가 책임진다는 사명의식으로 주요 소재의 국산화에 노력을 다하겠다”라고 밝혔다.

포스코는 2010년 리튬직접추출 기술을 세계 최초로 개발하였으며 지난해 2월부터 광양제철소 PosLX 공장에서 탄산리튬을 생산하고 있다. 탄산리튬에 이어 1년여만에 수산화리튬까지 생산에 성공함으로써 두 제품을 병행 생산하는 연산 2,500톤(탄산리튬 1,000톤, 수산화리튬 1,500톤) 규모의 체제를 갖추게 되었다.

현재 포스코는 폐이차전지를 활용하여 탄산∙수산화리튬을 생산하고 있으며 원할한 원료 수급을 위해 리튬광석으로도 제조가 가능한 설비를 올해 내 추가로 설치할 계획이다. 또한 염호 확보도 지속적으로 추진하여 염수·폐이차전지· 리튬광석까지 모두 사용 가능한 공장을 완성할 방침이다.

한편, 리튬 수요량은 2017년 25만톤에서 2025년까지 71만톤으로 약 3배 가량 증가할 전망이며 전기차 시장 확대에 따라 전기차 배터리의 주요 소재인 수산화리튬 수요는 급증할 것으로 예상된다.

※ 포스코 리튬사업 주요 추진 경과

• · 2010년: 리튬 직접 추출 기술 세계 최초 개발
• · 2011년: 포항산업과학연구원(RIST) 시험 생산 (연산 2톤) → 핵심 단위기술 검증
• · 2013년: 칠레 Maricunga염호 시험 생산 성공(연산 20톤) → 대량생산을 위한 연속공정 검증
• · 2015년: 아르헨티나 Cauchari 염호 시험 생산 성공 (연산 200톤) → 양산성 및 품질 검증
• · 2016년: 광양제철소 內 상용 데모플랜트 건설 (연산 2,500톤) → 염수 및 폐이차전지 재활용 리튬으로 만든 인산리튬 원료 사용 가능
• · 2017년 2월: 광양 PosLX공장에서 국내 최초 탄산리튬 생산 시작 → 폐이차전지를 이용하여 탄산리튬 240톤 생산(2017년 실적)
• · 2018년 2월: 호주 리튬광산 투자 및 리튬정광 장기구매계약 체결 → 2020년부터 연 24만톤의 리튬정광 도입(탄산리튬 3만톤 생산 가능 분)
• · 2018년 4월: 광양 PosLX공장에서 국내 최초 수산화리튬 생산 시작 → 리튬제품 다각화