[ESG프런티어]포스코케미칼, 이차전지 소재 음‧양극재 동시 양산이 갖는 의미는?

[ESG경제=김민정 기자] 포스코그룹이 이차천지 소재사업을 철강에 버금가는 그룹의 핵심사업으로 성장시킬 전망이다. 포스코케미칼은 10일 이사회를 열고 중국 인조흑연 음극재 회사인 시누오사의 지분 15%를 인수하기로 결정했다고 밝혔다. 이번 투자로 포스코케미칼은 천연흑연 음극재를 포함해 인조흑연까지 제품 포트폴리오를 다각화하고, 음극재 사업 경쟁력을 강화시킨다는 방침이다.

이로써 포스코케미칼은 국내에서 유일하게 음극재와 양극재를 동시에 대량으로 양산하는 능력을 갖추게 됐으며, 시장 점유율도 더욱 높일 것으로 기대되고 있다. 이에 리튬이차전지 소재와 관련된 국내외 기술과 시장동향 및 포스코케미칼의 연구개발 현황 정보를 Q&A로 알아본다.

Q1. 리튬이온 이차전지 산업의 현황은?

리튬이차전지의 최대 수요처는 과거 노트북과 휴대폰과 같은 디지털 디바이스가 주를 이뤘지만, 이제는 고용량 이차전지인 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 우주 및 항공 분야, 에너지 저장 시스템 등으로 확대되어 지속적인 시장 성장이 예측되고 있다.

이미 유럽 각국이 2025년부터 내연기관 자동차를 퇴출할 것으로 예상되어 국내 및 해외 배터리 제조사들은 유럽 공장 건설 프로젝트를 추진 중에 있다.

영국 정부는 일정 기준 이하의 하이브리드 차량 판매 금지도 검토하면서 순수 전기차 수요가 가속화 되는 방향이다.

중국 정부가 내연기관, 친환경차 등 모든 차량에 대한 생산과 판매를 관리하고 있고 전기차 보조금 지원정책과 환경오염 규제를 강화함으로써 중국내 리튬이온배터리 시장이 높은 성장률을 기록하고 있다. 특히 2017년 중국 전기 상업차의 경우, 전체 전기차 시장내에서는 26% 정도지만 상업차내 전기차 비중이 93%인 만큼 배터리 비중이 높다. 블룸버그 통신에 따르면, 중국 정부가 오는 2035년 내연기관 자동차의 판매 및 생산을 중단을 선언해 전기차 성장 속도가 더욱 가팔라질 것으로 예상되고 있다.

일본은 토요다 자동차를 중심으로 초기 리튬이차전지 시장을 주도해 왔으며 현재는 차세대 소재인 전고체 전지에 대한 관심이 크고 전고체 전지의 산업 생태계도 잘 조성되어 있다. 또 2006년부터 2015년까지 PCT를 통해 출원된 고체 전해질 관련 해외 특허도 일본이 133건으로 가장 많고, 2위인 미국은 40건으로 일본의 30% 수준일 정도로 기술수준이 높다.

이렇게 초기 리튬이차전지 4대 소재 산업은 일본 업체들이 기술력으로 시장을 주도했지만, 현재는 한국 소재업체들의 성장과 최근 중국의 이차전지 시장 확대로 현재는 중국이 시장 점유율의 대부분을 차지하고 그 뒤를 일본과 한국이 따르고 있다.

Q2. 양극재와 음극재는 이차전지에서 어떤 역할을 하는가?

이차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성된다. 양극재와 음극재는 배터리의 용량, 수명, 충전속도를 결정하는 가장 핵심이 되는 소재다. 양극재는 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하고, 음극재는 충전속도와 수명을 결정한다. 음극재가 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 원리다.

양극재는 주로 리튬전이금속산화물 계열이 주를 이루고 있고 인산염계 혹은 규산염계 등 일부 다른 종류의 화합물도 사용되고 있다. 음극재는 양극과 더불어 에너지를 저장하는 핵심소재이며 흑연을 비롯한 탄소계 소재들이 주로 이용되고 있다. 최근에는 소프트카본이나 하드카본 등 신규 소재들이 전기자동차용 리튬 이온전지 등에 일부 적용되고 있다.

Q3. 이차전지 소재인 양극재와 음극재의 시장 동향은?

양극재는 이차전지를 생산하는데 가장 핵심 재료로 구성하는 재료에 따라LCO(리튬코발트), NCM(리튬니켈코발트망간), NCA(리튬니켈코발트알루미늄), LMO(리튬망간), LFP(리튬철인) 등으로 구성되어 있으며 가장 대표적인 소재는 코발트, 니켈, 망간 등이다.

차세대 양극활물질로 각광을 받고있는 NCM과 더불어 LCO가 가장 높은 비용이 들고, LFP가 가장 저렴한 수준이다. 그 이유는 LFP에는 니켈과 코발트가 포함되어 있지 않기 때문이나, 효율성은 다른 소재에 비해서 낮은 수준이다.

2018년 기준 양극재 시장 규모는 91억 달러 정도였으나, 2025년 양극재 시장 규모는 296억 달러로 예상되고 있다. 때문에 양극재 생산업체들도 시장 성장을 고려해서 생산 능력을 확대할 계획으로 2018년 기준 생산량 1위업체인 ShanShan(중국)은 2020년까지 98.5% 증설할 계획을 밝혔다. SMM(일본)은 160.3%, 엘앤에프(한국)는 109.7%, Easpring(중국)은 92.8% 증설, 에코프로(한국)는 49.4% 증설할 것으로 전망됐다.

음극재는 양극재와 함께 전기를 생산하는 주요 재료이나 비중은 약 10%로 양극재에 비해서 상대적으로 재료비에서 차지하는 비중은 낮다. 2018년 기준 음극재 시장 규모는 18억 달러였으며, 2025년에는 76억 달러까지 성장할 것으로 예상되고 있다.

Q4. 포스코케미칼은 음극재, 양극재 사업을 어떻게 시작했나?

▲양극재 사업

2012년 포스코ESM이 출범하면서 시작했다. 사업시작은 휘닉스소재와 합자회사로 출발했으나 2016년 포스코가 경영권을 확보했다. 1세대 전기자동차에 양극재로 사용되는 LMO 양극재를 상용화하면서부터 사업이 본격화됐고, 2019년 포스코케미칼과 포스코ESM이 합병되면서 이차전지소재 사업이 통합됐다. 포스코케미칼은 사업 초기부터 니켈 함량이 80%가 넘는 하이니켈 NCM(니켈•코발트•망간) 양극재 개발을 시도했다. 이후 포스코그룹 이차전지소재 연구센터를 개설하고 양극재 광양공장 준공을 이어가면서 차세대 NCMA 양극재를 개발했다. 현재는 하이니켈 양극재를 중심으로 전기차 배터리 소재를 중점으로 개발하고 있다.

또한 포스코케미칼은 양극재 사업에서 중요한 역량으로 투자 여력을 꼽고 있다. 양극재가 양산설비에 막대한 투자비가 소요되기 때문이다. 올해 초 회사는 유상증자에100% 참여를 발표하며 이차전지소재 사업을 그룹의 핵심사업으로 육성하겠다는 성장 비전을 발표했고, 덕분에 유상증자로 목표 1조원 대비 27% 많은 1조 2700억원을 마련했다.

▲음극재 사업

2010년 2차전지에 들어가는 음극재 국산화율은 0.1%에 불과할 정도로 국내 업체가 전무했다. 포스코케미칼은 그해 LS엠트론으로부터 음극재 사업조직인 카보닉스를 인수하면서 사업을 시작했다. 포스코그룹의 소재사업 경험과 특유의 사업 추진력, 제철 부산물에서 나오는 흑연 원료인 코크스 활용해 음극재 개발에도 적용했다. 이후 10년이 지나면서 포스코케미칼은 국내에서 2차전지 음·양극재를 동시에 양산하는 유일한 업체로 자리 잡았다.

특히 포스코케미칼은 전기차 배터리에 초점을 두고 저장 용량에 강점이 있는 흑연계 음극재 연구에 집중했고, 그 결과 국내 유일의 흑연계 음극재 생산회사로 기반을 다지며 10년 만에 국내 1위, 세계시장 11%를 점유하게 됐다.

Q5. 포스코케미칼의 양극재와 음극재 동시 양산은 어떤 의미를 가지는가?

포스코그룹의 자원개발, 해외사업 경험과 네트워크는 다른 소재사들이 가지지 못한 장점이다. 향후 이차전지 소재사업에서 안정적인 원료 조달 능력이 중요한데, 이런 사업 경험은 핵심 경쟁력이 될 수 있다. 

특히 자동차나 가전 등 배터리가 사용되는 최종 제품에는 대부분 철강 소재도 함께 사용하고 있기 때문에 이차전지소재 원료 수급과 소재 개발뿐만 아니라, 최종 제품에 필요한 철강 소재까지 공급할 수 있다는 것은 종합 소재기업으로서 뚜렷한 장점을 가진다.

앞으로 포스코케미칼은 2025년 기준 양극재 27만5000t, 음극재 17만2000t 생산능력을 갖출 예정이다. 이를 위해 원자재인 리튬, 양극재 원료인 전구체 그리고 음극재에 이르기까지 공정 전반을 내재화했다. 게다가 이번 중국 시누오사에 대한 투자로 국내외 음극재 사업에서 시너지를 거두고 경쟁력을 높일 수 있게 되었다.

양극재 연구 분야에서는 하이니켈 NCM 및 NCMA(니켈•코발트•망간•알루미늄) 양극재의 고용량화, 장수명화, 고안전화를 추구한다. 또 공정기술 및 엔지니어링 등 양산기술에 중점을 두고, 생산능력을 크게 끌어올리기 위한 혁신 공정 및 엔지니어링 기술을 개발할 계획이다.

또한 2030년까지 리튬 22만톤, 니켈 10만톤의 양극재 원료를 생산할 예정이며, 폐배터리 리사이클링을 통한 니켈과 코발트 원료 공급도 추진한다. 아프리카 탄자니아 흑연광산권을 보유한 호주 BRM사의 지분을 인수하여, 음극재 원료 공급안정성을 강화하고 있는 중이기도 하다.

음극재 연구 분야에서는 차세대 소재인 실리콘 음극재 개발을 추진 중이다. 실리콘 소재의 장점은 리튬이온을 많이 담을 수 있는 고용량(이론적으로 흑연의 10배)이어서 전기차 주행거리를 늘릴 수 있다는 것이다. 또한, 음극재 극판을 얇게 만드는데 도움이 되어 배터리 출력을 높일 수도 있다.

현재 배터리 업체는 흑연계를 중심으로 실리콘을 일부 첨가(3~5%)하여 사용하고 있으며, 배터리 용량 증대를 위해 실리콘계 함량을 높여 나간다는 계획도 갖고 있다. 그룹 차원에서 설립한 이차전지소재연구센터를 중심으로 차세대 제품인 실리콘 음극재의 성능 개선에 힘을 쏟고 있으며, 전고체 배터리와 함께 주목을 받고 있는 리튬메탈 음극재의 선행 개발도 함께 추진 중이다.