NCMA 양극재도 개발 중
포스코케미칼이 인조흑연 음극재 국산화에 나선다. 오는 12월 포항 공장 착공에 들어간다. 국내에서 인조흑연 음극재 전용 공장이 만들어지는 것은 이번이 처음이다. 인조흑연 음극재는 전량 수입에 의존했다. 그 동안 포스코케미칼은 천연흑연을 생산해왔다. 인조흑연은 합성과정을 거쳐 만드는 음극재 재료로 천연흑연 대비 배터리 성능을 높일 수 있는 것으로 평가받는다. 일본 히타치나 JFE, 중국 샨샨 등이 주요 업체다. 음극재는 양극재, 분리막, 전해액과 함께 배터리 4대 핵심소재다. 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 한다.
김도형 포스코케미칼 상무는 18일 서울 코엑스에서 열린 ‘배터리 콘퍼런스 2019’ 2일차 기조연설에서 “그동안 국내 음극재 업체가 없어서 100% 해외 수입에 의존했다”며 “인조흑연 국산화를 위해 오는 12월 포항공장 착공을 목표로 추진하고 있다”고 말했다.
인조흑연뿐 아니라 리튬메탈을 이용한 차세대 음극재도 만들고 있다. 안정적이면서 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있기 때문이다. 김 상무는 “리튬메탈 음극재를 압연이나 증착 방식으로 만들어왔는데 전자는 품질이, 후자는 가격 경쟁력이 떨어졌다”며 “전착(Electro Plating, 전기 도금) 공정을 통해 품질과 효율 문제를 동시에 해결해 가격도 싸면서 품질 특성도 우수한 리튬메탈 음극재를 생산할 수 있었다”고 설명했다.
포스코케미칼은 올해 4월 양·음극재 사업을 통합하면서 생산설비 투자를 크게 늘리고 있다. 양극재는 현재 구미공장 9000톤, 광양공장 6000톤을 합쳐 총 1만5000톤 캐파로 생산하고 있다. 내년 광양공장 2만4000톤 증설이 완료되면 2.6배 증가한 총 3만9000톤 용량을 갖추게 된다. 포스코케미칼은 시장 상황에 따라 광양공장 생산량을 연 8만톤까지 확대할 수 있다고 밝혔다.
천연흑연 기반 음극재는 2만4000톤 규모 세종 1공장에 내년 하반기 준공 예정인 2만톤 규모 세종 2공장을 합칠 경우 연 4만4000톤 캐파를 갖추게 된다. 시장상황에 따라 2021년까지 연 5만톤 규모로 10개 라인을 증설해 총 7만4000톤 생산이 가능해질 수 있다.
NCMA 양극재도 개발
전기차(EV) 시장은 향후 연평균 26% 성장할 전망이며 점차 더 높은 배터리 용량이 요구되고 있다. 김 상무는 “기존 대비 에너지 밀도가 50~100Wh/kg 높은 300Wh/kg 수준이 필요하다”면서 3세대에는 기존 NCM523(니켈, 코발트, 망간 비중 5:2:3)에서 니켈 함량을 80% 이상으로 높인 NCM811(니켈, 코발트, 망간 비중 8:1:1)이 양극재로 적용될 것으로 전망했다. 이 경우 에너지 밀도는 20~30% 증가하고 주행거리는 2018년 400Km 대비 1.5배 증가해 2024년 600Km에 달할 전망이다.
그러나 니켈 함량이 높아질수록 열안정성은 낮아지고 배터리 수명은 줄어든다. 현재 양극재 코팅이나 도핑 같은 기술을 사용하고 있긴 하지만 충분치 않다. 김 상무는 “이 문제를 해결하기 위해 최근 NCM(니켈, 코발트, 망간 혼합 배터리)과 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄 혼합 배터리)의 장점을 동시에 가지는 NCMA 배터리 개발 쪽으로 접근하는 것이 트렌드”라고 말했다.
NCMA는 세 가지 금속만 혼합했던 기존 방식과 달리 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 네 가지를 혼합한다. 알루미늄을 추가해 코발트 비중을 10% 미만으로 낮추면 니켈 비중을 90%까지 높이면서도 열안정성을 확보할 수 있다. 김 상무는 “최근 연구 결과 NCMA 배터리에서 열안정성을 나태내는 지표 DSC(시차주사열량계, 상전이 온도 측정 방식)가 상당히 올라갔다(>230℃)”고 덧붙였다.
