포스코케미칼 양극재 기술 - poseukokemikal yang-geugjae gisul

[테크코리아 2022]김정한 포스코케미칼 양극재연구그룹장 “차세대 양극재 전부 대응해야"

표1. 전기차(아이오닉 5) 부문별 수치

“전기차용 차세대 양극재로는 코발트 프리나 망간리치, 단입자가 주목받고 이를 개발하는 능력을 갖추는 것이 관건이다.”

김정한 포스코케미칼 양극재연구그룹장은 20일 테크코리아 2022에서 '전기차(EV)용 양극재 기술 전개 방향과 폐배터리 리사이클링을 통한 니켈 원료 공급방안'을 주제로 발표했다.

김 그룹장은 차세대 양극재는 에너지 밀도와 안정성, 가격 한계 등을 극복하는데 초점이 맞춰질 것으로 예상했다. 이를 토대로 코발트 프리(NMX)와 망간리치(LLO) 양극재, 단입자가 대두될 것으로 전망했다. 코발트 프리는 코발트 없이 니켈과 망간으로 구성해 가격 경쟁력이 있으면서도 용량, 밀도 등도 우수하다. 망간리치는 니켈과 코발트 비중을 낮추는 대신 니켈 대비 매장량이 10배 이상 많은 망간 비중을 높여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 단입자는 니켈, 코발트, 망간 등 원료를 하나의 입자 구조로 결합해 강도와 열 안정성을 높이고 수명을 늘린다. 포스코케미칼의 경우 완성차 업체와 배터리사 요구에 맞춰 다양한 하이니켈 단입자 양극재를 개발, 양산을 추진하고 있다. 현재는 니켈 함량 90% 수준 제품을 개발했다.

김 그룹장은 “오는 2025년 이후에는 NCM622 대비 NMX와 LLO 원가가 각각 20%, 40% 저감될 것으로 예상된다”면서 “원재료 가격 변동에 따라 NMX와 LLO 재료비 경쟁력은 높아질 것”이라고 설명했다. 이어 “시나리오대로 보면 리튬 등 특정 재료들이 고점을 유지할 것으로 예상된다”면서 “결국 소재사들은 과거처럼 하이니켈 NCM에 올인하는 것이 아니라 NMX나 LLO 등에 대한 동시 개발 능력을 갖추고 대응해야 한다”고 덧붙였다.

김 그룹장은 양극재 성능 개선을 위해서는 입자 강도 문제를 해소해야 한다고 내다봤다. 양극재 입자간 크랙(균열)이 발생하지 않도로 기공 구조를 최적화해야 한다는 것이다. 특히 주행 거리와 수명을 극대화하기 위해서는 궁극에는 소입경을 단입자로 대체하는 것을 넘어서 중입경을 단입자화하는 것이 중요하다고 분석했다.

그는 “단입자 사이즈를 7~8㎛까지 키우게 되면 단입자 하나만 가지고 전극밀도와 수명을 개선하는 효과가 있다”면서 “현재는 개발 초기 상태”라고 말했다. 이어 “중입경 단입자 개발을 위해서는 단입자 사이즈를 키우기 위해 온도를 높이는 데서 불거지는 문제를 해소하고 입자를 제어하는 기법과 전구체를 통해 제어하는 방법 등이 필요하다”고 말했다.

김 그룹장은 포스코그룹이 추진 중인 니켈 사업에 대해서는 2030년까지 니켈 광석 기반 연산 11만톤, 리사이클링 기반 3만톤, 니켈 보유사와 합작으로 8만톤 등을 확보할 계획이라고 밝혔다.

[테크코리아 우리가 이끈다] 포스코케미칼

포스코케미칼은 국내외 대표 배터리 소재 기업으로 성장했다. 포스코 철강 중심 사업 구조를 배터리 소재 부문으로 확장하고 있다. 리튬, 니켈, 흑연 음극재 등 전기차 배터리 원자재 공급사슬을 기반으로 배터리 소재 사업을 다각화하고 있다.

포스코케미칼 양극재 사업은 하이니켈, 코발트 프리 등 양극재 제품 포트폴리오를 확대하고 있다. 양극재는 배터리 원가 30% 이상 차지하는 핵심 소재다. 양극재 제품 개발 과정에서 제조 원자재 공급처와 제품 경쟁력을 확보하기 위한 움직임이 활발하다. 특히 업계에서는 코발트 사용 비중을 줄이기 위한 제품을 개발해 왔다. 포스코케미칼은 코발트 사용 비중을 획기적으로 줄인 제품을 개발하고 있다. 코발트는 제품 가격이 비싼데 다 분쟁 광물로 분류된다. 앞으로 수년간 코발트 사용 비중을 줄인 신제품 개발이 절실하다.

포스코케미칼은 지난해 그룹의 전폭 지원 아래 양극재 제조 기술을 쌓으며 글로벌 자동차 업체와 합작사를 세우는 성과를 올렸다. 미국 제너럴모터스(GM)는 미국 자동차 대표 기업이다. 배터리, 배터리 소재 업체와 협력 체제를 강화하고 있다. 양극재 업체 가운데 완성차와 합작공장을 세운 건 포스코케미칼이 유일하다.

포스코케미칼은 하이니켈 기반 삼원계(NCM), 사원계(NCMA) 양극재 개발에 속도 내면서 GM과 북미 양극재 합작공장을 설립하게 됐다. 미국의 자국 중심 배터리 공급망을 갖추려는 인플레이션(lRA) 특별법에 대응해 북미에 가장 먼저 공장을 세우게 됐다. 포스코케미칼을 시작으로 국내 배터리 소재 업체의 해외 시장 진출도 가속화될 전망이다.

포스코케미칼은 음극재 사업도 강화하고 있다. 포스코케미칼은 국내 유일 흑연 음극재 생산 기업으로 실리콘 음극재 사업을 확대하고 있다. 음극재 제품 확대를 위해 인수합병에도 적극 나서고 있다. 인수 대상은 실리콘계 음극재 제조 기업이다. 포스코케미칼은 흑연 음극재 제조 경쟁력을 앞세워 실리콘 음극재 사업 포트폴리오를 확대할 계획이다.

포스코케미칼은 글로벌 대표 배터리 소재로 전기차 배터리 소재 시장을 선점한다. 차세대 전고체 배터리 시장 성장에 발맞춰 미래 소재 개발도 강화한다.

김지웅기자 [email protected]

[창간40주년 특집] 테크코리아 우리가 이끈다 <1>전자모빌리티/소재부품

음극재는 배터리 수명과 충전 시간을 좌우한다. 전기차 배터리 원가의 15% 내외를 차지한다. 원료에 따라 흑연계와 실리콘계로 나뉜다. 흑연은 가격이 저렴하고 안정성이 높고 실리콘은 에너지밀도가 높다.

포스코케미칼은 지난 2010년 LS엠트론으로부터 음극재 사업조직 카보닉스를 인수하면서 관련 시장에 뛰어들었다. 사실상 전량을 해외에 의존하던 상황에서 포스코케미칼은 음극재 부문을 키워나가며 국산화율을 높여왔다. 중국이 전 세계 70~80%를 차지하기 때문에 음극재 내재화는 필수이기도 했다.

음극재 중 실리콘계는 내구성과 부피 팽창 이슈로 널리 활용되지 못했다. 이를 보완하기 위해 배터리 소재 업체들은 흑연에 실리콘을 첨가하는 식으로 상용화를 진행 중이다. 실리콘 함량이 높을수록 전기차 주행거리, 충전 속도 성능이 좋아진다. 현재 활용되는 제품은 5% 내외 수준이다.

포스코케미칼이 준비 중인 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 탄소 복합(Si-C) 등으로 전해진다. 실리콘 음극재 함량, 일정 등은 미정인 것으로 전해진다. 회사는 고객사와 논의를 통해 양산화하겠다는 입장이다. 전용 시설이 마련되는 내년부터 양산할 가능성이 크다.

기존 흑연계도 포스코케미칼 투자 대상이다. 흑연 음극재는 다시 천연흑연과 인조흑연으로 구분된다. 인조가 천연 대비 내부 구조가 균일하다.

지난해 12월 경북 포항에 국내 최초로 인조흑연 음극재 공장을 준공했다. 1단계로 연산 8000톤 생산능력을 확보했다. 오는 2023년 종합 준공되면 연산 1만6000톤 규모로 조성된다. 해외 증설도 검토 중이다.

회사는 천연과 인조 강점을 살린 저팽창 음극재도 자체 개발했다. 천연흑연 구조를 판상형에서 등방형으로 개선해 기존 제품 대비 팽창률을 25% 낮추고 급속충전 성능은 15% 높인 것이 특징이다. 인조흑연 대비 제조원가를 떨어뜨리면서 공정 발생 탄소배출량을 저감하기도 했다.

포스코케미칼은 지난 2월 1054억원을 투입해 저팽창 음극재 캐파를 연간 7000톤에서 3만5000톤으로 확장한다고 발표했다. 세종에 건설 중인 천연흑연 음극재 공장을 저팽창 음극재용으로 변경한다는 계획이다. 내년부터 양산 돌입이다.

현재 포스코케미칼 음극재 캐파는 연 6만9000톤 규모다. 세계 시장점유율은 약 11%다. 빠른 속도로 캐파를 확대하고 있는 만큼 점유율도 지속 상승할 것으로 보인다. 인조흑연 원료인 침상코크스는 자회사 피엠씨텍 생산, 음극재 코팅용 소재는 OCI와 합작사 피앤오케미칼 제작, 중국 시누오사(음극재 회사) 및 청도중석(구형흑연 회사)에 투자하는 등 수직계열화 작업도 이뤄지고 있다.

포스코 그룹 차원에서도 음극재 사업을 육성하고 있다. 포스코홀딩스는 지난달 478억원을 들여 실리콘 음극재 전문기업 테라테크노스 지분 100%를 인수했다. 이 회사는 2017년 설립돼 열전달이 우수한 고온 액상 방식 실리콘 음극재 연속생산 기술을 보유 중이다. 기존 배치식 기술 대비 생산성을 3배 이상 증가시킬 수 있다는 평가다. 실리콘 입자 크기를 나노화하면서 부피 팽창 이슈를 해결할 것으로 기대받는다.

최근 테라테크노스는 사명을 포스코실리콘솔루션으로 변경하고 사업을 본격화하기로 했다. 연내 공장 설립에 착수해 2024년 상반기 내 양산 목표다. 포스코 그룹은 포스코케미칼과 포스코실리콘솔루션의 음극재 캐파를 2030년까지 32만톤(천연흑연 14만6000톤·인조흑연 15만2000톤·실리콘 2만2000톤)으로 끌어올릴 방침이다.

한편 포스코 그룹은 지난해 아프리카 흑연광산을 보유한 호주 광산업체 블랙록마이닝 지분 15%를 인수한 바 있다. 흑연은 중국 의존도가 높아 우려가 높은 품목이다. 특히 최근 미국 상원에서 인플레이션 감축법(IRA)을 통과시키면서 공급망 다변화가 시급한 가운데 포스코 그룹은 흑연 조달처를 확장하는 분위기다.