전기차 배터리의 양대 핵심 소재인 양극재와 음극재. 하지만 다수의 기업들이 세계 최고 수준의 양극재를 생산하는 것과 달리 음극재는 2022년 기준 전 세계 생산량의 96%를 중국기업이 생산하고 있다. 국내에서 전기차 배터리용 흑연계 음극재를 생산하는 기업은 포스코퓨처엠이 유일하다. K-배터리 산업의 강건화를 이끌고 있는 포스코퓨처엠의 음극재 연구 성과와 기술 경쟁력 강화 계획을 알아본다.

포스코퓨처엠 에너지소재연구소 음극재연구센터
최태선 책임연구원

글로벌 탄소중립을 달성하려면 탄소배출량이 많은 모빌리티 분야의 탈탄소 전환이 무엇보다 중요하다. 이에 따라 유럽, 중국, 북미 등 핵심 권역을 중심으로 전기차 침투율이 빠르게 상승하고 있다. 그러나 전기차 산업이 대중화 단계로 진입하고, 각국이 목표로 한 전기차 보급률을 달성하려면 전기차의 주행거리 확대와 안전성 강화, 충전 시간 단축이 반드시 필요하다. 이를 위해서는 음극재의 성능 향상과 신소재 기술 개발을 위한 투자가 전제 되어야 한다.

음극재는 양극재, 전해질, 분리막과 함께 배터리를 구성하는 4대 소재 중 하나로, 배터리의 안전성과 수명, 충전 성능 등을 결정한다. 전기차의 주행거리와 출력을 좌우하는 양극재가 리튬이온 소스 역할을 하고, 음극재가 리튬이온을 저장·방출하면서 배터리의 충·방전이 이뤄지기 때문에 양극재와 음극재를 배터리의 양대 핵심 소재라고 부른다.

하지만 양극재는 국내 다수의 기업이 세계 최고 수준의 품질경쟁력을 갖춘 제품을 생산하고 있는 반면 전기차 배터리용 흑연계 음극재를 생산하는 기업은 포스코퓨처엠이 유일한 상황이다.

포스코퓨처엠은 현재 배터리의 천연·인조흑연을 비롯해 다양한 종류의 흑연계 음극재를 양산하고 있으며, 전기차 충전 성능을 혁신할 수 있는 실리콘 음극재 등의 제품 포트폴리오를 확대하기 위한 R&D 투자에 주력하고 있다. 미국 인플레이션감축법(IRA)으로 공급망이 재편되고 있는 북미 시장 공략을 위한 원료 가공 기술 내재화, 가격 경쟁력, 친환경성 강화를 위한 공정 기술 혁신도 이룩할 방침이다.

포스코퓨처엠이 국산화에 성공한 천연·인조흑연 음극재는 각각 원료와 공정 프로세스 등이 달라 소재의 에너지 저장 용량, 수명, 충전 성능 등에서 차이가 나타난다.

천연흑연 음극재는 광산에서 채굴한 인상흑연을 원료로 하며 내부 층상구조의 발달로 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있어 에너지 저장 용량과 가격 경쟁력이 우수하다. 한편 인조흑연 음극재는 원료인 코크스를 형상 가공한 후 고온으로 열처리해 제조하기 때문에 소재 구조의 안정성이 높고 고속 충전에 유리하다는 강점을 가진다.

전기차 배터리의 음극은 위와 같은 특성을 가진 천연흑연과 인조흑연 음극재를 혼합(blending)해 구성하는데, 전기차 배터리의 수명과 충전 성능 강화 흐름에 따라 최근에는 인조흑연 음극재에 대한 수요가 높아지고 있다.

포스코퓨처엠은 이러한 흐름에 발맞춰 인조흑연 음극재 밸류체인을 내재화하고, 독자 기술로 충전 성능이 개선된 천연흑연 음극재 제품을 개발했다. 이뿐만 아니라 일부 프리미엄 전기차용 배터리에 차세대 소재인 실리콘 음극재가 일정 비율로 사용됨에 따라 실리콘 음극재와 혼합(blending) 시 소재 성능을 극대화하고 팽창률을 저감할 수 있는 흑연계 음극재의 개발도 성공했다.

인조흑연 밸류체인·전 공정 기술 내재화

수명과 충전 성능이 우수한 인조흑연 음극재는 천연흑연 제품 대비 공정라인이 길고, 생산 과정에서 품질의 일관성을 확보하는 것이 쉽지 않다. 이에 포스코퓨처엠은 수년에 걸친 R&D 투자로 ‘분쇄 → 조립 → 흑연화 → 표면처리 → 탈철/포장’에 이르는 인조흑연 음극재 전 공정을 내재화했다.

특히 원료인 코크스를 3000℃ 이상의 고온으로 열처리하는 흑연화는 제품의 품질을 결정하는 가장 핵심 공정으로, 투입 원료의 종류와 규모 등에 따라 열처리 온도의 미세 조정 등 공정 조건을 최적화하는 기술과 노하우가 중요한데 이 또한 기술 확보에 성공하며 소재 기술력을 입증했다.

포스코퓨처엠은 공정 프로세스뿐만 아니라 Upstream 단계인 원료 확보부터 가공, 최종 소재 생산까지 전체 밸류체인도 완성해 글로벌 공급망 변화에 유연하게 대응할 수 있다.

인조흑연 음극재는 석유계·석탄계 침상코크스 등이 핵심 원료인데, 포스코퓨처엠은 포스코의 제철 과정에서 발생하는 부산물인 ‘콜타르’를 자회사(포스코MC머티리얼즈)를 통해 석탄계 침상코크스로 가공하고 이를 음극재로 제조하는 기술을 개발했다.

포스코퓨처엠은 원료-소재 생산까지의 밸류체인과 공정 기술력을 바탕으로 현재 포항에 연산 8000톤 규모의 생산기지를 구축했고, 2030년까지 생산 능력을 15.3만 톤까지 확대할 계획이다. 또 현재 활용하고 있는 에치슨 흑연화로의 설비 고도화, 연속식 흑연화로 등 차세대 공정 기술 개발을 위한 투자도 지속하고 있다.

‘고밀도 구형화’ 기술로 천연흑연의 안전성과 충전 성능 향상

포스코퓨처엠은 천연·인조흑연 음극재의 강점을 결합한 ‘저팽창 천연흑연 음극재’도 독자 개발했다. 저팽창 천연흑연 음극재는 천연흑연을 원료로 하지만 ‘고밀도 구형화’ 공정으로 소재 구조를 개선해 팽창률을 약 25% 낮추고, 급속충전 성능은 약 15% 향상시킨 것으로 인조흑연 음극재와 함께 글로벌 전기차의 안전성 강화와 충전 시간 단축에 기여하고 있다.

천연흑연 음극재의 원료이자 인편상(비닐의 조각과 같은 모양) 구조의 인상흑연은 배터리 충·방전 시 리튬이온이 이동할 수 있는 통로(edge)가 많지 않아 배터리의 출력과 충전 성능의 하락을 유발한다. 이러한 문제를 개선하기 위해 음극재 기업들은 인편상 구조의 흑연을 구형으로 만드는 ‘구형화’ 공정을 도입했다. 흑연 입자 구조를 변화시켜 리튬이온 이동 통로(edge)를 입자 표면에 골고루 배향해 리튬이온의 저장과 방출을 보다 원활히 하는 기술이다.

포스코퓨처엠이 독자 개발한 ‘고밀도 구형화’ 공정은 이러한 구형화 공정을 거친 원료의 구형화도를 더욱 높이는 기술로, 타원형·다수의 내부기공이 형성된 기존 구형흑연 보다 리튬이온 이동 통로(edge)의 균일성을 높이고 내부기공을 감소시켜 충전 성능과 안정성이 강화된 음극재를 제조할 수 있다.

실리콘과 혼합 시 성능 극대화가 가능한 ‘비코팅 천연흑연’

차세대 소재인 실리콘 음극재와 혼합(blending)해 배터리 음극 구성 시, 실리콘 음극재의 팽창 성능을 억제할 수 있는 ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’도 개발했다.

음극을 흑연계와 실리콘 음극재를 혼합해 구성하면 전기차 주행거리를 혁신적으로 늘리고 충전 시간도 단축할 수 있으나, 배터리의 충·방전이 반복되면 실리콘 팽창으로 전극 내 기계적 스트레스가 축적되어 입자 간 단락(short)이 발생해 배터리의 급격한 에너지 저장 용량 저하 현상이 일어날 수 있다.

포스코퓨처엠은 기존 천연흑연 음극재의 탄소코팅층을 제거하면 소재의 기계적 연성(ductility)^* 증대로 입자 간 완충작용이 일어나 실리콘 음극재의 팽창 특성으로 인한 구조적 불안정성을 제어할 수 있다는 점을 발견했다.

*연성 : 재료가 파괴에 이르기까지 변형을 수반하는 성질

기존 천연흑연 음극재는 원료와 전해액 계면 사이에 발생하는 부반응^*을 줄여 리튬이온의 저장과 방출의 효율성을 높이기 위해 소재 표면에 비정질 탄소코팅을 진행하는데, 탄소코팅된 흑연은 고온의 열처리 공정을 거치면서 기계적 경도(hardness)가 증가해 비코팅 대비 완충 능력이 떨어지게 된다.

*부반응 : 여러 가지 반응이 함께 일어날 때에 주된 반응 외의 다른 반응

포스코퓨처엠은 이러한 비정질 탄소코팅 공정을 제거해 실리콘 음극재와의 결합력을 높이고, 리튬이온 이동의 효율성까지 갖춘 ‘비코팅 저온소성 천연흑연 음극재’ 생산을 확대할 계획이다. 글로벌 음극재 시장 내 실리콘 음극재의 비중이 높아지고 있는 만큼 포스코퓨처엠의 비코팅 제품에 대한 수요도 늘어날 것으로 기대된다.

포스코퓨처엠은 고품질 실리콘 음극재를 양산할 수 있는 기술을 조속히 완성해 2030년 기준 약 3.5만 톤의 생산 능력을 확보할 방침이다. 또한 미국 IRA 등 권역별 공급망 강화 정책에 대응하고 ESG 경쟁력을 강화하기 위해 원료 확보와 가공 등 밸류체인 확대 기술 개발도 지속하고 있다.

태양광 부산물을 활용한 고용량·고효율 실리콘 음극재

포스코그룹은 향후 빠르게 성장할 실리콘 음극재 시장을 선점하고, 고객사의 소재 수요 변화에 유연하게 대응하고자 실리콘 산화물(SiOx)부터 실리콘 탄소 복합체(Si-C), 퓨어 실리콘(Pure-Si)까지 다양한 종류의 실리콘 음극재를 개발하고 있다.

실리콘 음극재는 에너지 저장 용량과 고속충전 성능이 우수하나 부피 팽창 우려가 있어 전기차 배터리용으로 채택 시 소재 구조를 안정화하려면 첨가제 투입 등 추가 조치가 필요하다. 포스코퓨처엠은 실리콘 음극재의 팽창을 억제할 수 있는 비코팅 저온소성 천연흑연 음극재 기술을 보유하고 있어 제품 포트폴리오를 안정적으로 확대할 수 있을 전망이다.

포스코퓨처엠은 ‘태양광 산업 부산물’을 원료로 한 실리콘 음극재 생산 기술도 개발하고 있다. 태양광 패널은 고순도 실리콘 웨이퍼를 가공해 생산하는데 이 과정에서 순도가 높은 실리콘 부산물이 발생한다. 해당 부산물을 재활용하면 품질과 가격 경쟁력을 갖춘 음극재를 생산할 수 있으며, 자원 순환을 통한 환경 영향 저감효과도 창출할 수 있다.

다만 실리콘 부산물을 바로 음극재 원료로 활용하기에는 전기전도도가 낮고 입자 형상이나 크기가 일정하지 않기 때문에 부산물의 형상 개조와 기능성 물질과의 복합화 등 부산물을 적합 원료로 가공하는 기술 개발에 주력하고 있다. 부산물을 원료화해 생산한 실리콘 음극재는 이론상 1,900 mAh/g 이상의 초기 용량을 가져 높은 에너지 저장 용량의 배터리가 필요한 프리미엄 전기차용 소재로 적합하다.

구형화·고순도화 기술 내재화로 천연흑연 음극재 밸류체인 강화

포스코퓨처엠은 천연흑연 음극재 생산을 위한 구형화·고순도화 기술을 개발해 원료 채굴부터 최종 소재 생산까지의 전체 밸류체인을 내재화할 계획이다.

천연흑연 음극재는 광산에서 채굴한 인상흑연을 ‘구형흑연’으로 가공(구형으로 형상 제어 → 순도를 99.9% 이상으로 높이는 공정)하는 공정을 거친다. 하지만 전 세계에 공급되는 ‘구형흑연’의 대부분을 중국 기업들이 생산하고 있어 미국 인플레이션감축법(IRA) 등 자국 중심 공급망 구축 흐름에 대응하려면 기술 내재화를 통한 공급망 자립화가 반드시 필요하다.

포스코퓨처엠은 중국산 원료 대비 고품질·고순도의 구형흑연을 생산할 수 있는 기술을 개발하고 공정 라인을 구축하고 있다. 이를 통해 원료 공급망을 다변화하고 IRA가 규정한 적격 광물 지위를 획득해 북미 시장에 천연흑연 음극재 공급을 확대할 방침이다.

이뿐만 아니라 구형화·고순도화 공정에서 발생하는 환경 영향을 저감할 수 있는 기술도 개발하고 있다. 중국 기업들의 경우 구형흑연 제조 시 불산을 활용하는데, 인체와 환경에 유해해 국내에서는 이를 제한하고 있다. 포스코퓨처엠은 불산 투입 없이 흑연을 가공하는 기술로 토양 등 환경오염을 방지하고 공정 폐기물 정화 시 발생하는 비용도 절감할 계획이다.

폐배터리 리사이클링을 통한 흑연 추출 기술 개발

포스코퓨처엠은 폐배터리에서 흑연을 추출해 재활용하는 기술도 개발하고 있다. 리사이클링 기술을 완성해 양극재 사업처럼 친환경 자원 순환체계(Closed loop)를 완성할 계획이다.

‘도시광산’이라고 불리는 폐배터리 리사이클링 사업은 편재성이 큰 배터리 핵심 원료들을 광산 채굴 과정 없이 확보할 수 있어 전기차 밸류체인 전반의 경제성과 친환경성을 모두 높일 수 있다.

포스코그룹도 폐배터리 리사이클링 사업회사 ‘포스코HY클린메탈’을 중심으로 폐배터리와 소재 스크랩에서 리튬, 니켈, 코발트 등 유가금속을 추출하는 사업을 전개하고 있다. 재활용된 유가금속을 포스코퓨처엠이 공급받아 고품질·환경친화적 양극재 제품으로 생산할 계획이다.

그러나 음극재 원료인 흑연을 재활용하는 기업은 아직 없다. 음극재는 양극재 대비 저가이며, 리튬 등 유가금속을 추출하고 난 폐슬러지 내 흑연 뿐만 아니라 분리막, 셀(Cell) 케이스, 구리 집전체 등 다양한 부산물들이 함께 섞여 있어 리사이클링의 기술적 장벽이 높기 때문이다.

포스코퓨처엠은 유가금속이 추출된 폐슬러지를 2차로 리사이클링해 천연흑연 음극재용 흑연을 추출해 재활용하는 기술을 개발하고 있다. 미국 지질조사국에 따르면, 흑연은 튀르키예, 브라질, 마다가스카르, 탄자니아 등에 다량 매장되어 있고, 중국이 글로벌 생산량의 대부분을 차지하고 있다. 따라서 포스코퓨처엠이 폐배터리 내 흑연을 재활용하는 기술의 상용화와 사업화에 성공한다면 원료 내재화를 통한 음극재 밸류체인 강화, IRA/CRMA 등 공급망 재편 흐름에 효과적으로 대응하고, 음극재 사업의 친환경성 또한 높일 수 있을 것이다.

포스코퓨처엠은 그룹 R&D 역량과 인프라를 결집해 글로벌 전기차 시장, ESS 시장을 선도할 수 있는 음극재 기술을 지속 개발해 나갈 계획이다. 구형화·고순도화 공정 내재화에도 성공한다면 IRA 등 권역별 공급망 강화 정책에도 전략적으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 음극재 사업에 있어 지금까지 이룬 성과에 만족하지 않고, 다각도의 R&D 시도를 지속해 혁신적 소재·공정 기술 개발로 K-배터리 산업 강건화에 기여할 것이다.

국내 한 증권사 보고서에 따르면, EU의 ‘20년 2분기 전기차 판매량은 전년 동기 대비 33% 늘어난 것으로 나타났으며, 우리나라의 경우도 ‘20년 상반기 전기차 판매대수가 2만 2267대로 집계되어 작년 대비 판매량이 23% 증가했다.

코로나 팬데믹으로 지역별 락다운 조치가 취해지는 상황에서도 글로벌 전기차 산업은 완성차 기업들까지 본격적으로 뛰어들면서 더욱 폭발적으로 성장할 것이라는 게 중론이다. 시장조사기관인 SNE리서치에 따르면 ‘23년 배터리수요는 916GWh로 공급량 776GWh를 뛰어넘는다고 예상하고 있다.

l 포스코케미칼, 양극재·음극재 토털 솔루션을 제공하는 한국 유일의 2차전지 소재기업

이러한 자동차의 전동화(electrification)라는 흐름에 발맞춰 포스코그룹은 일찌감치 2차전지 소재사업에 뛰어들어 기술 리더십을 위해 매진하고 있다. 전기차 배터리를 구성하는 4대 주요 소재 중 양극재와 음극재를 동시에 생산중인 한국내 유일한 기업으로, 우수한 기술역량을 바탕으로 양극재·음극재 토탈 솔루션을 제공하고 있는 포스코케미칼이 그 선두에 있다.

전기차 성능 중 소비자가 가장 중요하게 생각하는 부분은 ‘주행거리’와 ‘충전시간’이다. 2차전지 핵심소재인 양극재의 경우 전기차 배터리 성능(용량)에 영향을 미치는 반면, 음극재는 배터리 수명과 충전시간에 영향을 미친다. 이에 따라, 포스코 그룹은 1회 충전시 주행거리 600km달성을 위해 에너지 밀도를 높이면서도 원가를 낮춰 경제성을 확보할 수 있는 High니켈 기반의 양극재 개발과 동시에 ‘10분 급속충전’을 위해 구조안정성이 높고 팽창성이 낮은 인조흑연 음극재 등 차세대 제품개발에 박차를 가하고 있다.

또한 타이트한 시장 수급상황에 대응해 포스코케미칼은 2차전지 소재 생산능력 확장에도 박차를 가하고 있다. 포스코케미칼은 2018년 8월부터 광양 율촌산업단지에 대규모의 High니켈 양극재 생산단지를 조성 중으로, 차세대 배터리 소재인 NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 양극재 투자 확대를 통해 新Mobility시대를 준비하고 있다.

l 이차전지 소재의 핵심인 양극재 생산라인 확장에 박차

양극재는 음극재, 분리막, 전해액 등과 함께 배터리의 4대 소재로 꼽히는데 이중 핵심은 양극재다. 전체 배터리 생산원가에서 양극재가 차지하는 비중만 30~40% 수준이다. 올 초 유럽의 경우 영국의 재규어, 독일의 아우디 등이 양극재 부족으로 배터리 공급을 받지 못해 전기차 생산을 일시 중단하기도 했다.

포스코케미칼은 지난 5월 2단계 2만 5천톤 규모 양극재 생산라인 확장 준공에 이어 3개월만에 차세대 양극재인 NCMA 생산라인 투자를 발표했다.  2,895억 원을 투자해 광양공장에 연산 3만 톤 규모의 NCMA 양극재 생산라인 증설예정. 지난 8월 31일 착공식을 통해 오는 2022년 가동을 목표로 하고 있다. 증설이 완료되면 포스코케미칼의 양극재 생산능력은 現 4.4만t에서 7.4만t으로 늘어날 전망이다. 이는 60킬로와트시(kWh) 용량 전기차배터리 약 84만대에 탑재 가능한 규모다.

High니켈 양극재는 3원계 소재(NCM, NCA)로 니켈 함량을 높이면서 값비싼 코발트는 상대적으로줄이는 연구가 진행되어 왔다. 최근에는 니켈 함량이 80%를 넘어가면서 안전성, 출력 특성 확보를 위해 4원계소재 NCMA가 개발되고 있다. 포스코의 NCMA양극재는 용량과 수명이 우수한 NCM(니켈-코발트-망간)과 출력이 우수한 NCA(니켈-코발트-알루미늄)의 특성을 모두 가지고 있는 차세대 소재다.

▲ NCM은 배터리 용량과 수명이 우수한 반면, NCA는 출력이 우수하다. 니켈 함량이 80%를 넘어가면서 충•방전시 결정구조가 불안정하여 수명이 저하되기 쉽다. 이에 포스코는 NCM에 Al을 첨가하여 수명 및 출력 특성을 개선 중이다.

NCM에 알루미늄(AI)을 첨가하여, 니켈이 가지고 있는 불안정성을 줄이며, 배터리 수명을 증가시켰다. NCMA 양극재는 1회 충전 시 600킬로미터(km) 이상 주행 가능한 3세대 전기차 배터리에 활용될 전망이다.

l 이차전지소재연구센터 구축과 원료투자

또한, 포스코-포스코케미칼-RIST 3사는 R&D 역량 및 인프라 결집을 통해, 지난해 6월 이차전지소재연구센터를 개관하였다. 이곳에서는 차세대 양극재, 음극재 제품개발과 포스코그룹의 2차전지 소재 원가경쟁력을 높일 수 있는 신공정을 연구하고 있다. 또한, 배터리 전문기업과 동일한 수준의 2차전지 성능평가 인프라를 구축하여, 자체 생산한 양극재·음극재로 구성된 전지를 만든 뒤, 고객들의 요구에 맞춰 다양한 평가를 수행할 수 있게 되었다.

▲ 지난 6월 포스코-포스코케미칼-RIST 3사의 R&D 역량 및 인프라 결집을 통해 개관한 이차전지소재연구센터

한편, 포스코그룹은 양·음극재 원료의 안정적인 수급을 통한 사업성 제고를 위해, 원료투자에도 적극적으로 나서고 있다. 향후 2차전지 소재 원료 광물의 가격상승이 예상되는 가운데, 우리나라는 전량 수입에 의존하고 있어 안정적인 원료 확보가 필수적이다.

그동안 철광석, 석탄, 니켈 등 제철 공정에 필요한 수많은 원료와 부원료를 다뤄본 경험을 바탕으로, 해외자원개발과 투자를 통해, 양극재 원료인 리튬 외에도 양·음극재 value chain상의 여러 원료 투자를 계획 중이다. 포스코그룹은 이를 바탕으로 2차전지 소재사업을 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 22조원 규모의 그룹 대표사업으로 육성할 계획이다.

▲ 포스코케미칼 양극재 공장 전경

※ 아래는 RIST(포항산업과학연구원)에서 양극재 제품 개발 총괄을 맡고 있는 남상철 양극재 연구그룹 수석연구원을 만나 나눈 포스코그룹 양극재에 대한 이야기

1. 포스코가 왜 양극재 시장을 빨리 선점해야 되는지?

→ 양극재는 리튬 2차전지의 소재들 중에서 그 시장 규모가 전체 소재 시장의 40% 가량을 차지할 뿐만 아니라 기술적 파급력 면에서 다른 그 어떤 소재보다도 높은 중요도를 가지고 있습니다. 또한 포스코가 강점을 지니고 있는 리튬, 니켈 등의 금속들이 벨류체인 상 핵심 원료이기 때문에 포스코가 다른 경쟁사들보다도 빠르게 선진사 수준에 도달할 수 있는 기회를 가질 수 있습니다.

2. 연구하는데 어려운점은?

→ 일반 commodity 제품은 KS규격과 같은 특정표준에 맞는 제품을 개발하면 다수의 고객사들에게 제품을 공급할 수 있지만, 양극재는 전지社들마다 고유의 기술노하우를 반영하여 전지를 설계하기 때문에 고객별로 요구하는 양극재 스펙이 상이합니다. 한정된 기간 내에 다양한 고객사별 맞춤형 제품을 개발해야 한다는 점이 있습니다. 전지社들과 소재 개발 초기 단계에서부터 더 밀착하여 협업을 추진해 나갈 계획입니다.

3. 포스코만의 기술적 우위(경쟁사 대비)나 목표가 있다면?

→ 고성능 양극재라 부르는 하이니켈 NCM 및 NCMA 기술에 있어서는 업계 선도 수준에 있다고 자부합니다. 양극재 기술역량을 계속 강화하여 모든 사람들이 양극재하면 포스코를 떠올릴 수 있도록 만드는 것이 목표입니다.

4. NCMA 양극재 개발 동향과 향후 계획은?

→ 전기차 주행거리를 향상시키기 위해 배터리 용량을 높여야 하는데, 이를 위해 양극재는 니켈 함량을 높여야 합니다. 그러나, 니켈 함량이 일정 수준이상으로 높아지면 소재의 안정성이 저하되기 때문에 최근에는 NCM양극재에 Al(알루미늄)을 첨가한 NCMA 양극재를 개발하여 고용량과 고안전성을 동시에 구현하고 있습니다. 포스코는 니켈 함량 80%이상 NCMA 양극재 기술을 이미 확보하였고, NCMA소재가 향후 고성능 전기차용 양극재로 자리매김할 것에 대비하여 지속적인 성능 개선 연구를 진행할 계획입니다.

‘제2의 반도체’라고 불리며 대한민국의 미래 먹거리로 각광받고 있는 전기차 배터리산업! 그 핵심소재인 양극재 시장의 주도권을 잡기 위해 포스코그룹은 오늘도 빠르게 움직이고 있다.

2019년은 전기차가 죽음의 계곡에서 빠져나오는 원년이 될 것으로 보인다.

지난해 글로벌 자동차 시장에서 전기차는 당초 예상을 웃도는 197만대 수준의 판매량(하이브리드 차량을 제외한 플러그인, 순수 전기차 기준)을 기록한 것으로 보인다.  지난해 초 예상했던 2018년 전기차 판매량은 2017년 98만대 판매량에서 약 40% 증가한 137만대 수준이었다. 40% 성장도 대단하다고 느껴졌으나 실제로는 두 배 가까이 성장한 셈이다. 지난해 초 미국 CNN이 보도했던 대로 ‘2018년은 미국의 도로가 전기화(Electrification)’ 되는 원년이었던 셈이다.

올해 글로벌 자동차 판매량은 약 9,250만대, 전기차 판매량은 약 400만대로 예상된다. 전기차 판매량이 전체 자동차 시장에서 점유율 4%를 넘어서게 되면서 2019년은 전기자동차가 ‘죽음의 계곡’에서 빠져나오는 기념비적인 한 해가 될 것으로 전망된다.

l 배터리, ‘제2의 반도체’ 산업으로 성장하나

전기차 시장과 더불어 배터리 시장도 성장을 거듭하고 있다. 배터리는 전기차 외에도 스마트폰, 태블릿, 드론, 로봇 등 다양한 제품에 사용되기 때문에 성장 폭이 더 클 것으로 전망된다.

최근 국내 배터리 3사(LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션)의 수주가 급증하고 있는데, 지난해 글로벌 자동차 기업으로부터 신규 수주한 금액만 110조 원에 달한다. 효자 상품인 반도체의 연간 수출 규모가 약141조 원임을 감안할 때 배터리가 ‘제2의 반도체’ 산업으로 성장할 것이라는 예상은 점차 실현되고 있는 것으로 보인다.

이에 따라 올해 글로벌 배터리(이차전지) 시장은 지난해 1,200억 달러에서 70% 가까이 성장해 2천억 달러를 넘어설 것으로 보인다.

<글로벌 전기차/배터리 시장>

▲단위 : 배터리 시장 규모(U$), 전기차 판매량(만대)

l 사활을 건 시장선점 경쟁

날개 없는 선풍기, 필터 없는 청소기 등으로 유명한 영국의 혁신기업 다이슨(Dyson)이 지난 10월 전기차 시장 진입을 선언하며 싱가포르에 생산공장을 짓겠다고 밝혔다. 25억 파운드라는 막대한 자금을 투자해 내년까지 공장을 완공하고 2021년부터 본격적으로 전기차를 생산하겠다는 계획이다. 그간 다이슨이 보여준 혁신역량을 감안할 때 테슬라(Tesla)에 이어 자동차 시장의 게임체인저 역할을 할 가능성이 높아 보인다.

한편 배터리 기업들은 조 단위 투자를 통해 사활을 건 시장선점 경쟁을 예고하고 있다. 국내 배터리 3사인 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션을 비롯해 중국의 CATL과 BYD, 일본의 파나소닉 같은 글로벌 기업들은 생산능력 확대를 통한 ‘규모의 경제’를 달성해 후발주자들이 쉽게 진입하기 어려운 ‘진입장벽’을 구축하려고 애쓰고 있다.

전기차 배터리 시장은 향후 ‘과점화’를 향한 가속 페달을 밟을 것으로 전망되는데, 기존 배터리 업체가 50GWh 이상의 생산 규모를 갖추면 후발 주자들이 쉽게 진입하기 어려운 ‘진입 장벽 효과’가 있을 것이라는 전망이 지배적이다.

신생 기업이 배터리 시장에 진입해 제대로 자리 잡는데 대략 10년가량이 소요됨을 감안했을 때, 향후 배터리 시장의 과점화 가능성은 매우 높다고 볼 수 있는데, 상위 5개 업체가 글로벌 배터리 시장의 80%를 장악할 수도 있다는 극단적인 전망까지 나오고 있다. 이에 따라 올해가 배터리 메이저 기업들이 기가팩토리(GWh의 대규모 생산능력을 갖춘 최첨단 생산설비)를 구축하는 원년이 될 것으로 보인다.

l 합종연횡을 통한 시너지 제고

사활을 건 대규모 투자에는 리스크도 뒤따르게 마련이다. 전기차 배터리 분야의 글로벌 기업들도 이를 헤징하기 위해 다양한 합종연횡을 진행하고 있다.

GM과 혼다자동차가 포괄적인 파트너십을 구축한 바 있으며 이에 자극받은 포드와 폭스바겐이 전기차, 자율주행차 분야의 광범위한 협력을 위한 ‘자동차 동맹’을 추진 중이다. 글로벌 배터리 업체와 자동차 기업간 합종연횡은 올해 더욱 확대될 것으로 전망된다. 테슬라와 밀월 관계에 있던 파나소닉은 최근 도요타와 합작사를 세우기로 합의했으며 LG화학, SK이노베이션 등은 폭스바겐과 손잡고 유럽에 ‘전기차 배터리 기가팩토리’를 건설하기 위한 논의를 거듭하고 있다.

최근 논의를 시작한 삼성과 현대차 그룹 간의 ‘자동차 전장, 배터리 협력’도 실리를 중시하는 최근 트렌드가 반영되었다고 할 수 있는데, 이처럼 올해는 한층 진화한 형태의 ‘전기차 배터리 파트너십’이 구축될 것으로 전망된다.

l 대체재/보완재의 부상

한편, 최근에는 기존 전기차 배터리의 대체재, 보완재 시장에 대해서도 활발한 논의가 진행 중이다. 우선 배터리 분야에서는 현재 주력으로 사용 중인 리튬이온배터리가 진화한 전고체배터리의 개발이 진행 중이며, 이를 보완 또는 대체할 금속공기전지, 리튬황전지 등에 대해서도 다양한 기업들이 관심을 갖고 가능성을 타진하고 있다.

무엇보다 미래 친환경 자동차 관련 시장에서 전기차와 경쟁 관계에 있는 수소차에 대한 논의가 본격화되고 있는데, 내연기관차에 대한 수요 감소 방향성이 명확해지면서 기존 자동차 기업들은 리소스 재분배에 대한 선택의 기로에 놓여 있다. 전기차는 가격과 충전인프라 구축 측면에서 장점이 있으나 충전시간과 주행거리에 대한 단점을 지적할 수 있으며, 수소차는 이와 반대로 충전시간과 주행거리에 대한 장점이 있으나 가격과 충전인프라 구축이 부담스러운 단점이 있다.

각 차량에 들어가는 부품, 소재와 인프라를 감안할 때 이는 자동차기업의 선택 문제이기도 하지만 각 진영의 생태계 구축, 더 나아가서는 국가 차원의 육성정책 문제와도 관련이 있다.

한중일 3국 중심으로 최근 수소차가 관심을 받고 있으나, 아직은 전기차 진영이 한발 앞서 있으며 배터리와 소재 성능 향상을 통해 전기차의 단점을 극복하고 있기 때문에 전기차 중심으로 미래 친환경차 시장이 구축될 것으로 보인다. 하지만 국내에서는 전기차와 수소차 진영 간 경쟁이 새로운 질서를 형성하는 원년이 될 전망이다.

l 이차전지소재 시장의 성장과 기회

배터리 시장의 성장으로 핵심 소재인 양극재, 음극재 수요도 지속 확대되어 지난해 78만 톤 수준에서 올해는 백만 톤에 육박할 것으로 보인다.

▲양극재를 생산하는 포스코ESM 구미 공장의 소성 공정 라인.

이에 따라 그룹의 핵심 신성장 사업인 이차전지 소재 사업도 도약을 위해 많은 변화를 겪고 있다. 포스코켐텍-포스코ESM간 합병(2019.4.1)을 통한 양극재-음극재 시너지 제고, 생산 라인에 대한 대규모 선제 투자 등이 대표적이다. 음극재 생산능력은 지난해 2만 4천 톤에서 2021년 7만 4천 톤으로 확대되며, 양극재도 지난해 8천 톤에서 2022년 6만2천 톤 규모로 증설할 계획이다.

l 산업구조재편의 바람에 올라타자

2019년은 경기불황과 경쟁 가중에 따라 철강, 석유화학, 자동차, 반도체 등 대한민국의 기존 주력 산업들이 동반 어려움을 겪게 될 가능성이 커지고 있다. 이에 배터리, 소재 등 신성장 산업으로의 구조 전환에 박차를 가해야 할 시점이다.

세대교체 과정에서의 ‘성장통(成長通)’을 최소화하면서 글로벌 시장에서 리더십을 확보할 수 있는 전략과 지원이 필요한 때이다. 아울러 시장은 언제든 성장 폭이 둔화되어 공급과잉으로 전환될 가능성이 있는 만큼 리스크 대비에도 만전을 기해야 하겠다.

자동차 산업은 수송부문 온실가스 배출량의 약 25%를 차지합니다. 지구 온난화에 대응하기 위한 세계 각국의 강력한 배출가스 저감정책으로 인해 기존의 내연기관을 사용하는 자동차에서도 배출 가스 저감을 위한 투자가 끊임없이 지속되어 왔는데요. 

내연기관에서는 다운사이징과 초고장력강 차체소재 사용 등을 통하여 연비 향상을 추구하고 있으며, 이러한 차량의 경량화는 연비를 높이고 이산화탄소(CO2)의 배출량을 줄이며 제동성 향상, 가속성 증대, 도로 보호, 안락성 증대, 주행거리 향상, 자원 재활용, 환경 개선 등의 많은 도전과제를 해결하고 있습니다.

이런 가운데 최근 대학생 자작자동차대회 전기차 부문에서 차량의 동력 효율과 주행성능 개선의 핵심인 차체 중량 절감을 성공적으로 달성하여 우승을 차지한 팀이 있어 화제입니다.

△ 서영대학교 튜닝엑스팀이 자작자동차대회 전기차(EV) 부문 우승을 차지한 뒤 기념촬영을 하고 있다.

10명의 멤버로 구성된 서영대학교 투닝엑스(Tuning-X)팀은 중요한 우승 요소로 포스코 마그네슘 판재를 꼽았는데요. 팀을 이끈 서영대학교 윤재곤 교수님을 통해, 전기차 개발 과정과 경량화 소재 트렌드 그리고 마그네슘 소재의 특장점에 대해 들어 보았습니다.

l 2017 KSAE 대학생 자작자동차대회

l 튜닝엑스 팀의 성공 비결

△ ‘2017 대학생 자작자동차대회’에 출전한 서영대 튜닝엑스팀이 포스코 마그네슘 판재를 적용해 제작한 자동차로 EV(전기차) 부문 우승을 차지했다.

전기차 부문에서 우승을 차지한 튜닝엑스 팀에게 가장 어려웠던 숙제는 바로 높은 배터리 효율성과 차량 경량화라는 두 마리 토끼를 잡는 것이었습니다. 특히 직류전기보다 출력 대비 무게가 높은 교류전기를 사용하는 전기모터를 사용한 튜닝엑스 팀에게는 차량의 무게 감소가 반드시 필요했던 상황이었는데요.

차세대 자동차 시장을 이끌어갈 전기자동차는 전기를 저장하는 핵심장치인 배터리가 ‘주행거리가 짧다’는 단점을 보완하기 위해 점점 대용량화(약 200~500kg) 되어 가고 있습니다. 윤재곤 교수님에 따르면 이러한 노력에도 불구하고 수백kg의 무게를 가지고 1회 충전으로 가능한 주행거리가 수백km를 넘기기 힘든 상황이라, 소비자들의 전기자동차 선택의 폭이 좁을 수밖에 없는 시장 구조라고 합니다.

△ 튜닝엑스팀은 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 마그네슘 판재를 적용해 차체중량을 절감했다.

따라서 ‘가볍지만 강력해야 한다.’라는 모순을 해결하기 위해 윤재곤 교수님과 튜닝엑스 팀은 포스코의 도움을 받기로 했는데요. 포스코에서 제작 초기부터 제공한 기술세미나와 마그네슘 개념과 제작 관련 기술교육 등의 도움을 받아, 팀은 시간대비 효과가 가장 좋은 마그네슘 판재를 운전자의 탑승 공간인 캐빈(Cabin)의 바닥면, 측면, 후면 판넬에 적용해 차량의 무게 감소를 달성했고요. 부족한 출력을 위해 전기모터를 트윈으로 설치하여 무게중심을 유지하고, 병렬 제어를 시행하여 배터리의 소모 전력도 고려할 수 있게 되었습니다.

윤재곤 교수님에 따르면 포스코의 사전교육을 통해 시행착오를 줄일 수 있었고, 대회까지 충분히 예비 시간을 가지고 준비함으로써 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 합니다.

 

l 마그네슘 소재의 효과적인 경량화

그렇다면 마그네슘 판재를 적용함으로써 튜닝 엑스팀의 자작차는 얼마나 가벼워질 수 있었을까요?

기존 알루미늄 판재와 비교했을 때 자작차의 전체 중량을 177kg에서 172kg로 5kg의 감소를 이룰 수 있었는데요. 또한, 소재의 가공 시에 제조회사와 같은 전문적인 가공법이 아닌 일반적인 다양한 가공법에도 기존의 알루미늄과 비교하여 거의 유사한 가공성을 나타냈다고 합니다.

윤재곤 교수님은 “마그네슘 합금은 압궤 특성의 신뢰성 향상과 제작 단가 및 조립 단계 등의 현실화를 통해서 미래 경량화 기술 소재로서 자리매김을 할 수 있으리라 예측한다”라며 알루미늄, 복합재료와 함께 앞으로 가장 주목받을 경량화 기술/소재로 마그네슘을 꼽기도 했습니다.

“경량화와 더불어 마그네슘 합금의 여러 가지 장점 중에서 가장 부각되는 것은 단연 환경에 기여하는 부분입니다. 이는 마그네슘 합금의 제작 과정에서의 지구 온난화 촉진 물질을 감소시키는 방법이 가능해지고, 차량의 경량화를 통한 연비 향상으로, 전 세계 자동차 기업의 과제인 배출가스의 감소로 이어질 수 있기 때문입니다.”

대표적인 경량 소재이고 비강도와 비강성이 우수한 복합재료의 사용은 차세대 자동차 경량화 시장에서 가장 중요한 부분 중에 하나인데요.

“지금까지 복합재료는 주로 자동차의 비 구조 파트인 루프 (Roof)나 후드 (Hood) 등에 사용되고 있으며, 동일 용적에 사용 시에 1000kg 단위의 경량화까지 예상합니다. 역시 비강도와 비강성이 우수한 마그네슘도 이러한 비구조 파트에 사용을 늘리는 것과 더불어, 차량에서 너클(Knuckle), 허브(Hub), 휠(Wheel) 등을 기존의 알로이 휠에서 마그네슘으로 적용할 경우 개당 kg단위의 경량화가 가능하기 때문에, 전기차에 적용 시에 더욱 효과적인 경량화를 이룰 수 있으리라 봅니다.”

수많은 연구 조사와 기술 개발이 이뤄지고 있는 가운데, 마그네슘 합금은 폭넓은 시장성으로 운송, 항공우주, 의료, 레져 등 다양한 분야에서 활용되고 있는데요. 이를 통한 경량화로 운전자의 안전을 지켜주는 안전장치의 추가 장착이 가능해지면서 탑승자의 안전과 사회적 손실비용의 감소를 동시에 만족할 수 있을 것으로 예상합니다.

포스코는 2016년 대회 이후 Formula와 EV 부문 우승 팀을 대상으로 마그네슘 판재와 압출재를 무상으로 공급하고 있으며 마그네슘 소재를 더 쉽게 접목할 수 있도록 기술 집합교육을 실시해 학생들이 차량에 마그네슘 소재를 사용할 수 있도록 돕고 있는데요. 앞으로도 이러한 협업을 발전시켜 산학협력 관계를 구축하고, 미래의 자동차 주역인 학생들에게 더욱더 많은 기회를 제공할 예정입니다.