포스코퓨처엠

일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하고, 수천 도의 열을 견디는 기술의 바탕에는 늘 ‘소재’가 있습니다.

그리고 그 소재의 중심에는 ‘포스코퓨처엠’이 있습니다. 배터리의 핵심소재인 양극재와 음극재부터 고온의 제철 공정을 가능하게 하는 내화물까지, 포스코퓨처엠의 ‘소재’들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데에 활용되고 있죠.

[뿌리를 찾아서]에서는 포스코퓨처엠이 만드는 주요 소재들의 발자취를 따라 어떻게 우리의 일상과 산업에 스며들었는지 살펴봅니다.

그 첫번째 이야기는 배터리의 핵심 소재 중 하나인 ‘양극재’의 뿌리를 따라가보겠습니다.

1. 양극재는 언제부터 ‘양극재’였을까?

양극재는 배터리를 구성하는 4대 요소 중 하나로서, 배터리 원가의 40%를 차지하는 핵심 소재입니다. 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 원료의 조합에 따라 배터리의 용량과 전압, 출력이 결정되는데요. 양극재가 단순한 소재를 넘어 고부가가치 전략소재로 자리매김하게 된 역사를 알아볼까요?

‘양극재’라는 단어는 배터리 내부에서 전자를 받아들이는 전극인 ‘양극(Cathode)’과 이를 구성하는 ‘재료(material)’의 합성어로, ‘양극을 구성하는 재료’라는 의미를 갖고 있습니다.

단어의 기원을 찾아보면 양극을 뜻하는 ‘Cathode’는 전류가 양극에서 음극으로 흐르는 특성을 바탕으로 ‘내려가는 길’이라는 뜻을 가진 그리스어 ‘Kathodos’에서 유래되었는데요. 이 ‘양극’이라는 말은 전자기학과 전기화학 분야에 큰 기여를 한 영국의 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 처음으로 제정했습니다.

패러데이는 용매에 녹아서 전류를 흐르게 하는 물질을 전해질(electrolyte), 양끝의 연결점을 전극(electrode), 이 전극이 양전하로 충전되면 양극(anode), 음전하로 충전되면 음극(cathode)이라고 정의해 전기화학에 관한 용어를 정비했고, 이렇게 만들어진 용어 체계는 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다.

2. 양극재의 시작과 발전

1800년대 최초의 전지인 볼타(Volta) 전지가 등장하게 됩니다. 볼타 전지는 금속과 전해질을 이용해 제작됐으며 재충전이 불가한 1차 전지 형태로, 이때는 양극재라는 개념이 명확하지 않았습니다.

오늘날 우리가 알고 있는 양극재가 본격적으로 등장한 것은 1860년대 프랑스에서 납축전지가 개발되면서부터 인데요. 이때 양극재로 납산화물(PbO₂)이 사용되며 본격적으로 양극재라는 개념이 확립됩니다.

이후 1970년대 미국의 화학자 스탠리 휘팅엄이 이황화티타늄(TiS₂)을 양극재로 활용한 세계 최초의 리튬 이온 배터리를 개발하면서 리튬 이온 배터리의 초석을 다졌고, 1980년대 미국의 존 구디너프 박사가 리튬코발트산화물(LiCoO₂, LCO)을 양극재로 사용하는 구조를 제안하게 되는데요.

1991년에 이르러 소니가 LCO 양극재를 활용한 리튬이온 배터리를 세계 최초로 상용화하며, 이것이 캠코더 등 소형 전자기기에 적용되기 시작합니다. 이 사건을 계기로 ‘양극재’가 실질적인 산업 소재로 자리잡게 되죠.

LCO 배터리는 기존의 납축전지나 니켈 카드뮴 배터리에 비해 높은 에너지 밀도와 안정적인 성능 덕분에 현재도 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 IT기기는 물론 다양한 산업분야에 사용되고 있습니다.

하지만, 전기차ㆍESS 등 새로운 시장이 개척되면서, LCO가 가진 에너지 밀도의 한계와 비싼 코발트 가격 등의 이유로 새로운 양극재의 필요성이 대두됐는데요.

이에 코발트 함량을 줄이고, 에너지 밀도를 높일 수 있는 니켈(Ni)과 안정성을 보완해줄 망간(Mn)을 첨가한 NCM(니켈-코발트-망간) 양극재가 개발되어 상용화되었고, 뒤를 이어 NCA(니켈-코발트-알루미늄), NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 등 고출력 양극재도 개발되어 현재까지 활발히 사용되고 있습니다.

최근에는 고용량, 고출력, 장수명, 저가 등을 목표로 ‘하이니켈 양극재(Hi-Ni)’, ‘LFP(리튬인산철)’, ‘LMR(리튬망간리치)’, ‘고전압미드니켈’ 등 다양한 형태의 양극재가 등장하며 양극재의 춘추전국시대가 진행되고 있습니다.

3. 양극재의 미래, 그리고 포스코퓨처엠

오늘날 IT 기기, 전기차, ESS(에너지저장장치), 드론, 전동킥보드, 의료기기, 항공 기술에 이르기까지 다양한 분야에서 배터리가 사용되고 있는데요. 최근 가장 주목받고 있는 전기차 분야에서는 양극재가 주행거리, 출력 등을 좌우하는 만큼 최적의 양극재를 개발하기 위한 연구와 투자가 활발히 진행되고 있습니다.

포스코퓨처엠의 경우, 니켈 함량을 95%까지 올려 용량과 출력 성능을 극대화해 더 긴 주행거리를 가진 전기차에 대한 시장의 요구에 맞춘 울트라 하이니켈(Ultra Hi-Ni) 양극재 기술 개발을 추진하고 있습니다.

볼륨 모델을 대상으로는 비싼 니켈의 비중을 줄이고 전압을 높여 에너지 밀도를 최대화한 고전압 미드니켈 양극재를 개발하고 있죠!

이뿐만 아니라, 엔트리 라인업에 맞춰 기존 LFP 양극재보다 높은 에너지 밀도를 가진 고밀도 LFP 양극재 개발을 위한 TF팀을 운영하고 있으며, 가격이 비싼 코발트와 니켈 비중을 줄이고 저렴한 망간 사용을 늘려 가격경쟁력을 갖추고 재활용성이 높은 LMR(리튬망간리치) 양극재 개발을 완료하고 양산기술을 확보하고 있습니다.

이렇듯 포스코퓨처엠은 국내 대표 양극재 생산 기업으로서 기술 변화의 흐름에 발맞춰 배터리 소재 공급망과 최첨단 연구 인프라 등을 바탕으로 엔트리부터 프리미엄 라인까지 커버할 수 있는 양극재 포트폴리오를 구축하고 있습니다.

한편, IRAㆍCRMAㆍ미중 무역 분쟁 등 글로벌 통상 이슈에 대응해 특정 국가에 치우치지 않은 공급망을 구축하는 것도 중요해지고 있는데요. 포스코퓨처엠은 포스코그룹 차원의 공급망을 구축해 이러한 이슈에 대응할 뿐만 아니라 안정적인 양극재 원료를 조달하기 위해 노력하고 있습니다.

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양극재는 단순히 배터리의 한 구성 요소가 아니라, 전기차ㆍESSㆍIT 기기 등 우리의 삶과 산업 전반을 움직이는 원동력입니다.

눈에 보이지 않는 작은 소재가 에너지 전환이라는 거대한 변화를 가능하게 하고, 지속가능한 미래를 설계하는 데 중요한 역할을 하고 있다는 점에서 그 가치는 더욱 큽니다.

포스코퓨처엠은 양극재 분야에서 기술 개발부터 생산, 자원 순환 관점까지 종합적인 접근을 통해 배터리 소재 산업을 선도하고 있습니다. 단순한 소재 공급을 넘어, 새로운 기준을 제시하는 포스코퓨처엠이 만들어갈 미래를 기대해 주세요.

#뿌리를찾아서_양극재편_타임라인