2차 전지 배터리: 포스코퓨처엠

2차 전지 배터리 분야를 알려면 포스코퓨처엠(POSCO Future M)을 알면 된다. 포스코퓨처엠은 2차 전지 핵심 소재인 양극재(Cathode)와 음극재(Anode)를 생산한다. 두 소재가 전체 리튬이온 배터리 원가의 3분의 2를 차지할 만큼 중요하다. 양극재와 음극재는 전기차의 성능을 좌우하는 주행거리, 출력, 충전 속도, 배터리 수명 등을 결정한다. 

양극재란 배터리의 (+) 극, 즉 양극을 이루는 소재를 말하며 리튬의 공급원으로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정한다. 음극재는 배터리의 (-) 극, 즉 음극을 이루는 소재를 말하며 양극에서 발생한 리튬이온을 받아들이는 역할을 한다. 

리튬이온 배터리 원가는 용도, 용량 등 사양에 따라 차이가 있으며, 대략 500만 원에서 2,500만 원 사이로 추정할 수 있다. 양극재의 원가 비중은 51%, 음극재가 12%에 달한다. 이 외 배터리 핵심소재로 전해액과 분리막이 있다. 

포스코퓨처엠은 현재 양극재를 연간 21.5만 톤, 음극재는 9.3만 톤을 생산하는 것으로 추정된다. 국내 전체 양극재 시장의 약 10%, 음극재 시장의 약 80%의 해당하는 생산량이고, 단순히 계산하면 연간 전기차 250만 대를 만들 수 있는 수준이다. 작년 국내 전기차 생산량이 40만 대를 웃돌았는데 포스코퓨처엠 홀로 5~6년 치를 감당할 수 있는 정도다. 

 

포스코퓨처엠을 주목해야 하는 이유는 2030년까지 연간 양극재 100만 톤, 음극재 37만 톤의 생산능력을 갖춘다는 계획을 갖고 있기 때문이다. 전기차 1,000만 대를 생산할 수 있는 규모다. 양극재 100만 톤이면 글로벌 시장 점유율의 약 10%에 해당하는 수준이며, 국내 경쟁사인 LG화학, 에코프로, 엘앤에프를 뛰어넘게 된다. 국내시장 판도가 완전히 바뀐다는 의미다. 음극재는 국내에서 이미 독보적인 점유율을 갖고 있다. 

포스코퓨처엠의 주요 고객사는 삼성SDI(40조 원 규모), LG에너지솔루션(30조 원), 얼티엄셀즈(LG에너지솔루션-GM 합작법인, 21조 원), GM(14조 원) 등의 2차 전지 배터리 제조사 및 자동차 제조기업이다. 조 단위의 수주 규모만 보더라도 상당한 입지를 확보해둔 상태다. 

포스코퓨처엠을 들여다보면 배터리 생산체계를 전반적으로 파악할 수 있게 된다. 포스코그룹은 포스코퓨처엠을 중심으로 원료부터 소재 생산, 폐배터리 리사이클링까지 다운스트림부터 업스트림까지 배터리소재 풀 밸류체인을 구축했다. 

특히, 포스코그룹이 리튬은 아르헨티나와 호주, 니켈은 뉴칼레도니아, 흑연은 탄자니아 등에서 채굴하여 현지 또는 국내에서 가공할 계획이기 때문에 포스코퓨처엠은 안정적이고 다각화된 원자재 공급망을 갖춘 셈이다.

관련 내용: 양극재와 음극재의 생산 방식

양극재의 생산 방법은 다양하며, 사용되는 물질에 따라 공정이 다를 수 있다. 양극재의 원료로 주로 사용되는 물질은 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등이 있다. 원료를 정확한 비율로 혼합한 후, 분쇄 과정을 거쳐 미세한 분말 상태로 만든다. 이때, 분말의 입자 크기와 형태가 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있다. 혼합된 분말을 고온에서 가열하면 양극재의 기본 구조가 형성된다. 이 과정을 '칼시네이션'이라고 한다. 칼시네이션 과정을 거친 후, 분말은 다시 분쇄 및 분류 과정을 거쳐 입자 크기를 갖도록 처리된다. 최종적으로 양극재 분말을 건조시킨 후, 배터리 제조에 적합한 형태로 포장한다.

양극재의 종류와 성능은 사용되는 원료와 제조 과정에 따라 달라질 수 있다. 리튬 철 인산염(LiFePO4), 리튬 니켈 망간 코발트 옥사이드(NMC), 리튬 코발트 옥사이드(LCO), 리튬 망간 옥사이드(LMO) 등 다양한 종류의 양극재가 있으며, 각각의 특성과 용도가 다르다.  

음극재로 사용되는 주요 재료에는 흑연(자연 흑연 또는 인조 흑연), 리튬 티타나이트(Li4Ti5O12), 실리콘 복합물 등이 있다. 이들 원료는 고순도로 준비되어야 한다. 원료를 특정 비율로 혼합한 후 분쇄 과정을 거쳐 미세한 분말 형태로 만든다. 이 과정에서 얻어진 분말의 입자 크기와 분포는 배터리의 성능에 중요한 영향을 미친다. 분쇄된 분말을 바인더와 함께 혼합하여 슬러리를 만든다. 바인더는 분말 입자들이 서로 결합하도록 돕는 물질로, 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 같은 고분자 물질이 사용된다. 슬러리를 구리 호일 같은 전류 집전체 위해 도포한 후, 고온에서 건조해 음극 전극을 형성한다. 건조된 전극은 압연 과정을 거쳐 더욱 조밀하고 균일한 구조로 만들어진다. 그 후, 배터리 셀 제조에 적합한 크기로 절단된다. 절단된 전극은 최종 두께와 밀도를 조정한 후, 배터리 조립을 위해 포장된다. 

음극재의 성능은 사용된 원료, 제조 과정, 그리고 최종적인 구조에 크게 의존한다. 예를 들어, 흑연 기반 음극재는 안정성과 수명이 뛰어나지만, 실리콘을 첨가할 경우 더 높은 용량을 달성할 수 있으나, 부피 팽창 문제를 해결해야 한다. 따라서 음극재의 선택과 제조는 배터리의 목적과 요구 사항에 따라 신중하게 이루어져야 한다.