음극재 생산이 어려운 이유

국내 배터리 기업들은 양극재 생산에 적극적이다. 대표적으로 포스코퓨처엠 (관련 글: 2024.02.29 - [산업] - 2차 전지 배터리: 포스코퓨처엠), LG화학, 에코프로, 엘엔에프 등이 있다. 근데 아래 자료만 보더라도 국내 리튬이온 배터리 음극재를 생산하는 곳은 포스코 등 두 곳 뿐이다. 대주전자재료는 연매출이 불과 2,500억원 정도되는 중견기업이다. 다른 대기업이 음극재 생산에 뛰어들지 못하는 이유는 무엇일까? 음극재 원료를 보면 답을 알 수 있을 것 같다. 바로 ' '천연흑연' 과 '인조흑연'이다. 영어로는 'Graphite' 이라고 한다. 쉽게 설명하자면 1) 천연흑연은 구하기 어렵고 2) 인조흑연은 천연흑연보다 비싸며 3) 실리콘 등 대체자원은 흑연만 못하기 때문이다.  

근데 포스코퓨처엠(구. 포스코케미칼)은 글로벌 리튬이온 배터리 음극재 기업 5위권에 들 수 있었던 이유는 무엇일까? 포스코퓨처엠은 과거 LS엠트론으로부터 음극재 사업조직인 카보닉스를 인수하면서 시작했다. 당시에는 국내 음극재 생산이 전무했지만 포스코그룹의 소재사업 경험, 특유의 사업 추진력, 제철 부산물에서 나오는 흑연 원료인 코크스를 잘 활용한다면 음극재에도 가능성이 있겠다는 판단하에 전기차 배터리에 초점을 두고 저장 용량에 강점이 있는 흑연계 음극재 연구에 집중한다. 이 때 경쟁사들은 출력에 중점을 둔 소프트카본과 하드카본 계열의 제품을 중점적으로 개발했다. 결과적으로 전기차 배터리 시장이 성장하면서 흑연계 음극재가 주목을 받게 된다. 포스코퓨처엠의 선견지명이 통한 셈이다. 

천연흑연(Graphite)은 자연에서 발견되는 흑연 상태의 광물로, 오랜 시간 동안 고온 및 고압 조건 하에서 탄소가 층층이 쌓여 형성된 판상형 구조를 갖는다. 이러한 천연흑연은 흑연화도가 높고, 비교적 저렴한 가격에 높은 리튬 이온 저장 용량을 제공한다는 장점을 가지고 있다. 천연흑연은 채굴 과정을 통해 얻어지며, 채굴된 흑연 광석은 선광 및 부유선광 과정을 거쳐 탄소 순도를 높여 배터리용 음극재로 사용된다.

인조흑연은 석유계 코크스나 석탄계 코크스를 원료로 사용하여, 2,500℃ 이상의 고온에서 열처리하여 만든 인공적인 흑연이다. 이 고온 처리 과정을 통해 흑연의 결정 구조가 안정화되며, 이로 인해 리튬 이온의 반복적인 충방전 시 결정 구조의 변화가 적어 배터리의 수명이 길어지는 특성을 갖는다. 또한, 인조흑연은 리튬 이온의 이동 경로가 많아 충전 효율이 높고 급속충전에 유리하며, 스웰링 현상이 상대적으로 적게 발생하여 배터리 성능이 안정적이다. 하지만 이러한 고온 처리 과정으로 인해 생산 비용이 높아지는 단점도 갖고 있다. 

사진: 천연흑연