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신성장 동력 2개의 신형엔진, 포스코리튬솔루션 편

신성장 동력 2개의 신형엔진 [포스코리튬솔루션 & 포스코HY클린메탈] 1. 포코 리튬솔루션 편 텍스트 아래, 전기자동차 일러스트 좌측에는 행사에서 삽으로 흙을 푸는 관계자 이미지, 우측에는 투자협약식의 관계자이미지이다.

이차전지 소재사업은 포스코그룹 신성장 사업의 핵심이다. 이차전지의 시장규모는 매년 가파른 성장이 예상되고 그 원료와 소재를 확보하기 위한 전세계적인 경쟁이 이미 치열하게 진행 중이다. 포스코그룹은 2021년 4월과 5월, 포스코그룹의 이차전지 소재사업을 이끌 두 신형 엔진의 탄생을 알렸다. 바로 포스코리튬솔루션과 포스코HY클린메탈이다.

l 미래 먹거리, ‘이차전지’의 핵심 소재 이해하기

세계적 기업들이 새로운 성장동력이자 미래 먹거리로 눈여겨보고 있는 ‘이차전지’는 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있으며, 여러 번 충전과 방전이 가능한 친환경 소재이다.

이차전지 구성요소 이미지. 빨간 박스 안의 양극재+파란 박스 안의 음극재+회색박스 안의 분리막+회색박스안의 전해액

이차전지는 양극을 구성하는 물질의 화학반응을 이용해 전기를 생산하는데, 이온과 전자가 양극과 음극을 오가며 충전과 방전이 이루어진다.

이차전지 구성요소 이미지로 좌측은 양극의 활동 이미지, 우측은 음극의 활동 이미지로 가운데에서 왼쪽으로 향하는 화살표는 방전, 오른쪽으로 향하는 화살표는 충전을 나타내고 있다.

양극의 실제 전극 반응에 관여하는 ‘활물질’을 어떤 소재로 구성하느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되는데, 양극의 소재로는 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등이 쓰여진다. 여기서 포스코그룹(포스코리튬솔루션 & 포스코HY클린메탈) 은 이 양극 제조에 쓰이는 소재 생산을 담당하고 있다.

양극 제조 소재 표 이미지. 첫번째 리튬은 원자번호 3번의 원소로 원소기호는 Li이며 영문표기는 Lithium 이다.  표준 원자량은 6.941이다. 두번째 망간은 원자번호 25번의 원소로 원소기호는 Mn이며 영문표기는 Manganese 이다. 표준 원쟈량은 54.938이다. 세번째 니켈은 원자번호 28번의 원소로 원소기호는 Ni이며 영문표기는 Nickel이다. 표준 원자량은 58.693이다. 마지막 코벨트는 원자번호 27번의 원소로 원소기호는 CO이며, 영문표기는 Cobalt이다. 표준 원wkfiddms 58.933이다.

먼저, 배터리 소재 공급 문제의 해결사 ‘포스코리튬솔루션’에 대해 알아보자.

l 포스코리튬솔루션, 배터리 소재 공급 문제의 해결사!

포스코는 양극재 핵심원료인 리튬을 경제적이고 안정적으로 공급해 이차전지소재사업의 경쟁력을 강화할 목적으로 리튬원료(광석리튬, 염수리튬)를 확보하고 이를 추출하는 기술개발 활동을 2010년부터 장기간 추진해 왔다. 외부기술 벤치마킹과 데모플랜트 운영으로 내부역량을 축적했고 2021년 3월에 상용화 준비를 마쳤다.

이 후, 2021년 4월 9일 포스코이사회에서 투자승인을 받고, 4월 23일 ‘포스코리튬솔루션’ 이라는 사명으로 법인을 설립했다. ‘포스코리튬솔루션’은 리튬광석 공급사인 호주 필바라 미네랄스(Pilbara Minerals)사가 지분 참여하는 합작법인으로, 지분율은 포스코가 약 80%, 필바라 미네랄스가 약 20%를 보유하고 있다.

포스코리튬솔루션 사업 추진 연표 이미지. 2021년 4월 9일 리튠 사업 투자 승인 이후 4월 23일 법인설립 이후 5월 6일 전남도 투자협약(MOU)체결 이후 5월 14일 부지매인(율촌산단의 196000제곱미터)이후 5월 26일 광양공장 착공식 진행.

포스코리튬솔루션은 단순히 제품인 리튬을 공급하는데 그치지 않고 배터리 소재 공급 문제를 해결하겠다는 의지를 반영해 사명에 ‘솔루션’을 포함했다.

포스코리튬솔루션의 탄생은 포스코형 리튬추출 공정 기술 개발에서부터 시작됐는데, 2010년부터 포스코는 RIST등과 함께 리튬 광석이나 염수에서 배터리급 고순도 리튬을 생산하는 기술을 개발해왔고, 2017년 탄산리튬, 2018년 수산화리튬을 국내 최초로 생산했으며, 이후 광양제철소 내 데모플랜트 운영을 통해 전문 인력을 양성하고 포스코형 공정을 개발해 정착에 성공했다.

l 포스코리튬솔루션 생산 제품과 공정

리튬은 가장 밀도가 낮은 고체 원소로 반응성이 매우 강하다. 이 특성을 활용해 리튬이온이 이차전지의 양극과 음극을 오가며 충전과 방전을 담당한다. 리튬은 전기차 1대당 약 40kg이 필요한 핵심 원료이다.
리튬(40kg/대)은 가장 가벼운 금속으로 양극과 음극을 이동하여 충전/방전 역할을 수행하며 중간재 없이 양극재(90kg/대) 이차전지소재가 된다. 원료 에너지 밀도를 향상시키는 니켈(42kg/대)과 수명을 향상시키는 코발트(6kg/대), 안전성을 향상시키는 망간(2kg/대)는 중간재로 전구체(니켈, 코발트, 망간을 혼합한 금속반제품) 과정을 거쳐 음극재와 분리막, 전해액이 더해지며 양극재가 된다. 배터리는 배터리셀(배터리의 최소단위)이 모여 배터리 모듈(모듈1개당 12~48개의 셀)이되고 모듈이 모여 배터리 팩(팩1개당 8~40개의 모듈)*전기창 1대방 팩1개 장착*이 된다.

포스코리튬솔루션의 생산 제품은 수산화리튬(LiOH)이다. 수산화리튬은 산소와의 반응성이 큰 리튬을 배터리용 소재로 활용할 수 있는 산화물 형태로 바꾼 것으로 이차전지 양극재의 핵심 소재다. 수산화리튬은 탄산리튬(Li2CO3)에 비해 배터리 용량과 수명을 늘리는데 유리해 전기자동차용 배터리 소재로 많이 쓰여진다.

수산화리튬의 원료는 크게 물에 용해된 염수 형태의 리튬과 광석 형태의 리튬으로 나뉘는데, 염수형 리튬 생산 공정은 리튬염수를 증발시켜 농축한 뒤 인산리튬(Li3PO4), 탄산리튬(Li2CO3) 등을 중간물로 우선 생산하고, 수산화리튬으로 전환 생산한다.

광석형 리튬 생산 공정은 중간물 생성 없이 황산리튬에서 바로 수산화리튬을 생산하므로 공정을 간소화할 수 있다. 포스코리튬솔루션의 공정은 광석리튬을 활용해 수산화리튬을 생산하는 방식을 채택하고 있다.

l 포스코리튬솔루션의 공정 특징

리튬 생산공정은 크게 상(上)공정과 하(下)공정으로 나뉜다. 상공정은 리튬 광석을 황산리튬으로 만들어 주는 공정인데, 먼저 광석을 약 1000℃의 온도로 가열해 나중에 이뤄질 화학반응에 적합한 구조로 만들어 준다. 이후 약 250℃의 환경에서 황산과 반응시켜 황산리튬으로 만든다. 하공정은 상공정에서 만들어준 황산리튬을 수산화 리튬으로 만들어주는 공정인데, 이때 수산화리튬화 방식에 따라 포스코형, 상용화형으로 분류된다.

포스코형과 상용 구분에 따른 생산공정 비교. 먼저 포스코형 공정은 광석 → 하소 → 배소 → 침출 → LS용액 → 전기투석(LS→LH) → 결정화 →제품 과정이며, 상용 공정은 광석 → 하소 → 배소 → 침출 → LS용액 →가성화(LS→LH) → 냉각결정화(이 과정에서 부산물 발생) → 결정화 →제품이다.

포스코형은 포스코에서 자체개발한 방식으로 전기투석을 통해 황산리튬을 수산화리튬으로 만든다. 이 방식은 부산물을 발생시키지 않고 부원료 투입량이 적어, 친환경적이고 유지관리비가 낮은 경제적 방법이다. 상용화형은 이미 기가동중인 공정으로 화학반응으로 수산화리튬으로 만들어 주는 방식이다.

상용화형은 이미 중국에서 10기 이상 가동중인 안정화된 공정으로 NaOH등의 강염기를 이용한 화학반응으로 수산화리튬으로 만들어 주는 방식이다.

포스코리튬솔루션은 포스코형 1기(21500 톤/년), 상용화형 1기(21,500 톤/년)기의 1+1 조합으로 공정별 특성과 강약점을 상호보완해 투자 리스크를 저감할 수 있도록 설계됐다.

l 연산 4만3천톤 규모의 수산화리튬 공장 착공

포스코리튬솔루션은 5월 26일 광양 율촌산업단지에서 수산화리튬공장 착공식을 가졌다. 공장은 19만 6000㎡ 부지에 7,600억 원을 투자해 2023년 준공을 목표로 건설하고 있으며, 연간 4만 3,000톤, 전기차 100만의 수산화리튬을 생산할 수 있다.

이는 전기차 100만대 생산이 가능한 규모이며, 포스코리튬솔루션은 포스코케미칼이 양극재를 생산하는데 필요한 수산화리튬의 100%를 공급함으로써 그룹 내 안정적인 이차전지 소재 밸류체인을 구축하는데 큰 힘이 될 것으로 전망된다. 또한 중국 등 해외에서 100%수입에 의존하던 리튬 소재를 국산화해 국내 이차전지 산업의 경쟁력 강화도 기대된다.

좌측부터 포스코리튬솔루션 광양 공장 착공식에서 첫 삽을 푸는 행사를 하고 있는 관계자들의 이미지, 공장 부지를 하늘에서 바라본 모습으로, 좌상단에는 포스코 케미칼 부지가 위치하고, 우상단에는 포스코 리튤솔루션(예정)이 위치하며 하단에는 포스코 HY클린메탈 1단계 공장이 위아래로 구분되어 있다.

▲포스코리튬솔루션 광양 율촌산업단지 수산화리튬공장 착공식(왼쪽).

포스코리튬솔루션은 경영인프라 구축, 생산공장 건설의 업무를 동시에 추진해야 하는 과제를 가지고 있다. 특히 포스코리튬솔루션은 포스코에 한정하지 않고 전 그룹사를 대상으로 기획, 재무, 구매, 인사노무, 대외협력, 건설, 조업대비까지 분야별 최고 전문가들을 모집해 총 16명의 ‘리튬어벤져스’ 가 사업의 성공을 위해 함께 힘을 합쳤다.

앞으로 눈부실 활약을 보여줄 ‘리튬어벤져스’의 활약이 기대된다.
 

포스코리튬솔루션 조직도 이미지로 총원 16명이며 구조는 법인장 산하에 경영기획실(10명)과 생산기술실(15명)이 있다.

▲포스코리튬솔루션 조직도


이번 편에서는 포스코그룹의 신성장 동력, 이차전지소재사업의 두 신형 엔진 중 하나인 포스코리튬솔루션에 대해 알아보았다. 다음 편에서는 포스코 양극재 소재 밸류체인의 중요한 또 하나의 축, 포스코HY클린메탈에 대한 내용을 다룰 예정이다.

기업시민 포스코 Green With POSCO 함께 환경을 지키는 회사 / Together / Green / Life / Community / 우측 손 위에 새싹이 자라는 일러스트 이미지.