포스코퓨처엠

지난 ‘전기차 성능을 좌우하는 국가대표 양극재 라인업’ 콘텐츠를 통해 전기차의 주행거리와 배터리 출력을 좌우하는 양극재들에 대해 알아보았는데요.

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양극재 만큼이나 전기차 배터리에서 중요한 소재가 바로 음극재입니다. 배터리 원가 비중의 약 14%를 차지하는 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 하며 전기차 배터리의 충전속도와 수명을 결정합니다.

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포스코케미칼은 2010년 LS엠트론으로부터 음극재 사업조직인 카보닉스를 인수하면서 음극재 사업을 본격적으로 시작했습니다. 당시 글로벌 음극재 시장은 일본이 주도하고 있었고 음극재 국산화율은 0.1%에 불과했지만 ‘소재보국’ 정신과 음극재를 비롯한 전기차 배터리소재에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것이라는 확신이 있었기 때문에 음극재 사업에 대한 투자를 지속했고 그 결과 국내에서는 유일하게 음극재를 양산하여 글로벌 완성차 · 배터리 기업들에게 공급하는 소재사가 될 수 있었습니다.

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포스코케미칼은 포스코그룹의 소재사업 경험 · 제철 부산물인 콜타르 활용 코크스(인조흑연 음극재 원료) 제조 기술 · 미래기술연구원, 에너지소재연구소, RIST를 비롯한 최첨단 연구 인프라 등을 바탕으로 천연흑연 뿐만 아니라 인조흑연 음극재까지 국산화에 성공하고 천연흑연과 인조흑연의 강점을 모두 갖춘 저팽창 천연흑연 음극재도 독자적으로 개발했습니다. 

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향후 전기차 주행거리 향상을 위한 실리콘 음극재 양산 · 전고체 배터리 시대를 여는 리튬메탈 음극재 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 

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그럼 전기차의 충전속도와 수명을 책임지는 국가대표 음극재는 어떤 것들이 있고, 포스코케미칼이 구상하는 음극재 사업의 비전과 포트폴리오 전략은 무엇인지에 대해 자세히 알아보겠습니다. 

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개별 음극재의 구성 원료와 특성, 성능을 오각형 스탯을 활용하여 쉽고 재미있게 정리했으니 끝까지 따라와주세요 :)

포스코케미칼은 2010년 천연흑연 음극재 국산화에 성공하였으며 중국 흑연 가공 기업 청도중석의 지분 15% 확보 · 그룹 차원의 탄자니아 흑연 광산 투자 등 안정적 원료 공급망을 바탕으로 생산 능력을 지속 확대해 왔습니다. 

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현재 국내 배터리 3사 포함하여 글로벌 고객사들에게 천연흑연 음극재를 공급을 확대하고 있으며 2030년까지 연산 15만톤 생산체계를 구축할 계획입니다. 

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코크스를 원료로 3,000도 이상의 고온 열처리를 통해 생산하는 인조흑연 음극재는 안정성과 수명, 급속충전 성능이 우수하여 2020년 기준 글로벌 음극재 시장에서 76%의 비중을 차지하고 있습니다.

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※ 전기차 배터리 제조 시, 천연흑연과 인조흑연, 실리콘 등 다양한 음극재를 혼합하여 사용

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포스코케미칼은 천연흑연 음극재에 이어 국내 최초로 인조흑연 음극재 개발에 성공하여 지난해 12월 포항에 연산 8천톤 규모의 인조흑연 음극재 1단계 공장을 준공했으며, 2단계까지 종합 준공 시 총 1만 6천톤 생산체계를 구축하게 됩니다. 

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또한 인조흑연의 원료인 침상코크스(포스코 제철공정 부산물 콜타르를 가공)는 자회사 피엠씨텍이 자체 생산하고 있어 원료부터 소재까지 전 밸류체인을 내재화했고, 중국 인조흑연 음극재 회사인 시누오(SINUO)사 지분 15%를 인수하여 중국 내 생산 능력과 공급 네트워크를 확보했습니다.

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향후 인조흑연 음극재에 대한 글로벌 완성차 · 배터리 기업의 수요가 지속 상승할 것이란 전망에따라 소재의 고용량화 · 가격경쟁력 강화에 박차를 가하고 증설 투자를 지속하여 2030년 기준 연산 15만톤의 생산체계를 구축할 계획입니다.

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포스코케미칼이 독자 개발한 저팽창 천연흑연 음극재는 천연흑연 소재 구조를 이방형에서 등방형으로 개선하여 팽창률 25%, 급속충전 성능 15%가 향상된 차세대 소재입니다. 인조흑연 대비 제조원가는 낮추고 공정 중 발생하는 탄소배출량은 저감하여 친환경성도 높였습니다. 

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제품의 우수성을 인정받아 제너럴모터스(GM)와 LG에너지솔루션의 배터리 합작사인 얼티엄셀즈(Ultium Cells) 가동 시점에 맞춰 공급될 예정이며, 향후 글로벌 완성차 · 배터리 기업들의 수요 증대에 따라 생산 능력을 지속 확대해 나갈 계획입니다.

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실리콘 음극재는 흑연계 음극재 보다 고용량 · 고출력의 성능을 가지고 있어 전기차 배터리의 주행거리를 혁신적으로 늘릴 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있습니다.

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친환경적이고 풍부한 자원인 실리콘을 원료로 활용하며, 흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 한 개가 저장되지만 실리콘의 경우 원자 4개당 리튬이온 15개가 저장되는 구조를 갖기 때문에 단위 에너지 용량이 흑연 보다 10배 가량 높습니다. 따라서 실리콘 재료 자체의 전기 전도도는 낮지만, 비용량이 높아 전극의 두께를 비교적 얇게 만들 수 있어 고출력의 전극을 설계할 수 있습니다.

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현재는 흑연계 음극재에 4~5% 정도 첨가하는 수준이지만, CNT(Carbon nanotube) 도전재를 첨가하거나 소재의 팽창률을 줄이는 등 성능 강화를 위한 기술적 노력이 지속되고 있어 향후 첨가 비중이 대폭(15%) 늘어날 전망입니다.

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포스코케미칼은 전기차 주행거리 향상을 위해서 Si-C(실리콘-탄소복합체), SiOx(실리콘산화물) 등 실리콘 음극재 사업화를 추진중이며 포스코홀딩스 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST) 등 그룹 내 전기차 배터리소재 연구역량을 결집하여 2030년까지 연산 2만톤 규모의 생산능력을 갖출 계획입니다.

금속 리튬을 활용한 음극재로서 기존의 흑연 음극재보다 전기차 배터리의 무게당 에너지밀도(출력)를 획기적으로 증가시킬 수 있는 소재입니다. 추후 전고체 배터리에 탑재할 경우 모든 방면에서 완벽에 가까운 성능을 낼 수 있어 미래 전기차 배터리 시장을 이끌어 갈 차세대 소재로 각광을 받고 있습니다. 

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현재 개발 단계에 있으며 상용화를 위해서는 충전 과정에서 발생하는 덴드라이트(Dendrite)를 제어할 수 있는 기술 개발이 필수적입니다.

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※ 덴드라이트(Dendrite) : 리튬이온배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체로 양극과 음극 간 접촉을 막는 분리막을 손상시켜 배터리의 안정성과 수명을 저하시킵니다.

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포스코케미칼은 당사 에너지소재연구소, 포스코홀딩스의 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST)과의 협업을 통해 리튬메탈 음극재를 자체 개발하고 있으며 2030년 상용화를 목표로 하고 있습니다.

국내에서는 유일하게 음극재와 양극재를 동시 생산하는 포스코케미칼은 인조흑연 음극재의 장수명화 · 저팽창 천연흑연 음극재 생산능력 확대 · 전기차 주행거리 향상을 위한 실리콘 음극재 양산 · 전고체 배터리 시대를 열어갈 리튬메탈 음극재 개발 등을 통해 ‘소재의 힘’으로 글로벌 전기차 산업의 고도화를 주도해 나가겠습니다.

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앞으로도 포스코케미칼이 만드는 전기차 시대의 미래를 기대해주세요!