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포스코 2차전지 핵심, 양극재 High~! High니켈

코로나 사태에도 불구하고 글로벌 전기차 판매가 급증하고 있다. 세계 각국이 내연기관 차량의 배기가스 배출을 규제하고 親환경차 도입을 지원하는 각종 정책을 펴나가는 한편, 전기차 배터리 기술력이 크게 신장되고 있기 때문이다.

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.

<전기차 배터리 시장 전망> (gwH) 수요(주황선), 공급(파란선). 2019 190, 326. 2021, 458, 599. 2023 916, 776. 2025, 1,328, 967. 출처:SNE Research 2019 (*예상치)

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.

NCM, 배터리용량 UP, 수명 UP. NCA, 배터리출력 UP. NCMA 배터리수명UP, 출력UP

▲ 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.

양극재 소재, 특징. NCM(니켈-코발트-망간), NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄).포스코 주력 에너지밀도가 높아 주행 가능 거리가 길고 배터리 성능이 안정적. NCA(니켈-코발트-알루미늄) 에너지밀도가 높아 주행거리가 길고, 출력이 좋으나, 전지수명이 짧고 열 안정성이 떨어짐. LFP(리튬-철-인산) 가격이 저렴하고 안전성이 높지만, 에너지 밀도가 낮아 주행 가능 거리가 짧으며 무거워 전기차용으로 사용하기 어려움. 양극재 소재에 따른 배터리 분류

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

▲ 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

▲ 포스코케미칼 양극재 공장 전경


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

RIST 남상철 수석연구원

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.