미 정부가 IRA를 발표하면서 배터리 업계는 보조금 지급 요건을 충족할 수 있는 국가로부터 배터리 부품과 핵심 광물을 확보해야 한다는 과제를 떠 안았다. 배터리 부품은 2024년부터, 핵심 광물은 2025년부터 우려외국기업(foreign entity of concern)에서 일정 비율이상 공급받을 경우 보조금 지급 대상에서 제외된다.

핵심 광물의 중국 의존도가 높은 상황에서 배터리 업계의 주목을 받은 곳이 있다. 이곳은 포스코그룹으로 아르헨티나 등에 리튬 염호를 보유한 포스코홀딩스를 지주사로 두고 있고, 국내에서 유일하게 양극재와 음극재를 동시에 생산할 수 있는 포스코퓨처엠은 포스코홀딩스의 자회사로 있다.

최근 포스코그룹은 이차전지 원료 및 소재 분야의 글로벌 톱 기업으로 도약하겠다는 목표를 발표했다. 국내 생산 기지를 마더 팩토리(Mother Factory)로 삼아 글로벌 수요사를 공략하고, 국내 배터리 밸류체인의 최대 취약점인 원료 확보 및 제련·정제·가공을 위해 주요 지역으로 진출한다는 것이다.

<녹색경제신문>은 박재범 포스코경영연구원 수석연구원이 ‘이차전지소재 및 광물 산업의 미래와 공급망 이슈’에 대해 전하는 생생한 현장을 취재했다.

■ 배터리 원료 ① 리튬 : 포스코그룹, 탄산리튬와 수산화리튬 모두 생산한다

리튬은 크게 ‘염수’에서 생산하는 방식과 ‘리튬 원광’에서 생산하는 방식으로 구분할 수 있다. 염수 리튬은 상공정을 거쳐서 ‘탄산리튬’이 중간제품으로 나오고, 하공정을 거쳐서 ‘수산화리튬’이 최종재로 생산된다. 반면, 광석 리튬은 상공정을 거쳐서 ‘황산리튬’이 중간제품으로 나오고, 하공정을 거쳐서 ‘탄산리튬’과 ‘수산화리튬’이 최종재로 생산된다.

박재범 수석연구원은 “염수 리튬은 중간 과정에서 탄산리튬을 반드시 거쳐야 수산화리튬으로 갈 수 있는데, 광석 리튬은 중간 제품인 황산리튬에서 탄산리튬과 수산화리튬을 모두 뽑아낼 수 있다”면서, “최근 리튬을 직접 뽑아내는 DLE 기술이 주목받고 있는데 포스코그룹은 올해안에 이 기술을 적용해서 리튬을 직접 생산하겠다고 발표했지만 좀 더 지켜봐야 할 것”이라고 말했다.

골드만 삭스는 DLE 기술은 염수 프로젝트에서 리튬 공급을 크게 늘려 리튬 생산량과 수율을 2배 가까이 늘릴 수 있는 기술이라고 분석한 바 있다. 배터리 관련 업계는 해당 기술은 현재 개발 중이고 2025년에서 2030년 사이 본격적으로 적용될 것이라고 전망했다.

한편, 최근 글로벌 완성차 업체들의 LFP 배터리 수요가 증가하면서 탄산리튬 수요량이 증가할 전망이다. 삼원계 배터리에는 수산화리튬이 적합한 반면, LFP 배터리에는 탄산리튬을 사용하기 때문이다.

이에 대해 박재범 수석연구원은 “하이니켈 양극재에 탄산리튬이 적합하지 않았기 때문에 전기차 배터리에는 수산화리튬을 고수해왔다”면서, “LFP에는 탄산리튬을 사용하기 때문에 앞으로 탄산리튬을 눈여겨봐야 할 것”이라고 말했다.

물론, 포스코그룹은 포스코홀딩스와 포스코리튬솔루션을 염수 리튬과 광석 리튬을 모두 양산할 것이라고 밝혔다. 전기차용 수산화리튬의 중국 수입 의존도가 80%를 초과하는 상황에서 포스코그룹의 리튬 생산은 핵심 광물의 탈중국을 가속화할 전망이다.

포스코그룹은 2030년 기준으로 리튬 목표 생산량 42만톤을 달성해 13조원의 매출을 낸다는 계획이다. 해당 목표를 달성해 글로벌 Top 3를 차지할 것이라고 강조했다.

■ 배터리 원료 ② 니켈 : 포스코그룹, 공급망 다변화와 기술적·환경적 문제 해결로 생산능력 키운다

니켈 원광은 황화광과 산화광으로 나뉜다. 시장점유율은 황화광이 30%, 산화광이 70% 정도를 차지한다. 황화광에서는 니켈 순도 99% 이상인 고품위의 Class 1 제품이 주로 생산되고, 산화광에서는 고품위의 Class 1과 저품위의 Class 2 모두 생산된다.

박재범 수석연구원은 “니켈을 확보하기 위해 여러 국가로 공급망을 확대하고, 확보하는 방식도 다양화하는 형태로 니켈을 준비하고 있다”면서, “더 중요한 것은 배터리용 니켈 중간재인 니켈 MATTE와 MSP/MHP 등을 확보하는 것”이라고 강조했다.

이어 “습식 제련 쪽에서는 기술적으로 해결해야 할 이슈들이 있어서 그 기술들을 준비하고 있고, 건식 제련 쪽에서는 이산화탄소가 많이 배출되기 때문에 그 부분들을 해결해 나갈 것”이라면서, “니켈은 인도네시아 외에도 호주 및 브라질 등에서 확보하기 위해 노력해왔고, 현재 완성단계에 있다”라고 전했다.

포스코그룹은 2030년 기준으로 니켈 목표 생산량 24만톤을 달성해 3조 8000억원의 매출을 낼 것이라고 밝혔다. 현재 니켈은 포스코홀딩스와 포스코 계열사인 SNNC가 담당하고 있고, 광양 공장에서 생산 예정이다.

■ 배터리 원료 ③ 리사이클링 : 탄소배출 저감과 핵심 광물 확보를 위해 필수적이다

폐배터리 리사이클링은 탄소배출 저감과 핵심 광물 확보를 위해 필수적인 산업으로 주목받고 있다. LG엔솔, 삼성SDI, SK온 등은 지분투자나 계열사 등을 통해 리사이클링에 본격적으로 뛰어들었다. 특히, EU 배터리법에서 배터리 제조시 일정 비율 이상을 리사이클링 원료로 사용할 것을 요구하면서 관련 산업에 대한 관심이 높아지고 있다.

먼저, 리사이클링은 탄소배출과 에너지비용을 줄일 수 있는 대안으로 꼽힌다. 광산에서 핵심 광물을 채굴할 경우 에너지비용은 200kWh/kg이 들고, 이산화탄소는 10.3kg/kg을 발생시킨다. 반면에 리사이클링을 통해 핵심 광물을 추출할 경우 에너지비용은 55kWh/kg이 들고, 이산화탄소 발생은 2.8kg/kg을 발생시킨다.

또한 리사이클링은 원료 확보를 위해서도 중요한 수단으로 평가된다. 2030년에는 리사이클링을 통해 전체 필요 원료량의 10%가 공급될 것으로 예상된다.

박재범 수석연구원은 “리사이클링을 통해 에너지비용과 이산화탄소 발생량을 상당히 줄일 수 있다”면서, “포스코를 비롯해 원료를 생산하는 업체들도 이 사실을 알고있기 때문에 여러 회사들이 연구하고 있다”라고 말했다.

이어 “해외에서는 폐배터리 리사이클링 관련해 너무나도 많은 이슈들이 발생하고 있기 때문에 이를 해결해야하는 복잡한 문제들이 있다”면서, “니켈은 2036년이 되면 마이닝 방식으로 생산하는 니켈보다 리사이클링을 통해 생산하는 양이 더 많아지고, 리튬은 2050년이 되면 마이닝 방식으로 생산하는 리튬보다 리사이클링을 통해 생산하는 양이 더 많아진다”라고 설명했다.

폐배터리 리사이클링 공정 역시 습식 공정과 건식 공정으로 나눌 수 있는데 각각의 공정은 장점과 단점이 있다. 포스코는 습식 공정을 통해 리사이클링을 하고 있는 것으로 확인됐다.

리사이클링의 경우 기업이 활용하는 공정이 다르기 때문에 얼마나 많은 유가금속을 추출할 수 있는지가 리사이클링을 하는 기업들의 경쟁력이 된다. 과거에는 일반적으로 니켈과 코발트를 추출했으나 최근에는 리튬과 구리 및 음극재 원료들도 추출하고 있는 것으로 확인됐다. 포스코그룹은 포스코홀딩스와 HY클린메탈에서 올해부터 리튬을 생산할 것이라고 밝힌 바 있다.

■ 배터리 소재 ① 양극재 : 포스코그룹, 제품 포트폴리오 다변화로 2030년 100만톤 생산한다

양극재는 1990년대 1세대 양극재를 시작으로 2020년대 3세대 양극재까지 진화했다. 1세대 양극재는 주행거리 160km, 에너지밀도 250~350Wh/L로 소니가 최초로 개발한 LCO가 대표적이다. 2세대 양극재는 주행거리 320km, 에너지밀도 450~550Wh/L로 HV-LCO, NCA, NCM, LMO, LFP 등이 있다. 3세대 양극재는 주행거리 480km, 에너지밀도 650~750Wh/L로 니켈 함유량 88% 이상의 NCA, NCM, NCMA, OLO, LNMO, LMP/LFMP 등이 있다.

박재범 수석연구원은 “3세대에 개선된 제품들이 나오고 있는데 NCA와 NCM을 합친 NCMA와 LFP의 단점을 개선한 LMP/LFMP 등이 있다”면서, “양극재 간의 기술을 비교하거나 단편적으로 생각하는 것 보다, 에너지밀도와 출력 등의 특성을 종합적으로 비교해보는 것이 필요하다”라고 말했다.

양극재는 질적 성장과 양적 성장을 모두 달성해야 한다고 알려졌다. 특히 양극재에 대한 다양한 니즈를 만족시키기 위해 포트폴리오를 다양화하는 것이 중요하다는 분석이다. 이에 포스코그룹은 NCA, NCM 외에도 LFMP와 LNMO 등도 생산한다는 계획이다.

또한 LFP 배터리 수요 증가가 양극재 시장의 중요한 변수로 전망된다. 현재 LFP 배터리는 중국에서 90%, 중국 외 국가에서 10%가 사용된다. 가격 경쟁력을 확보하기 위해 글로벌 완성차 업체들의 LFP 배터리 수요는 늘어날 것이라고 예측했다. 특히 상대적으로 운행 거리가 길지 않아도 된다고 알려진 유럽에서 LFP 배터리 수요가 급증할 전망이다.

박재범 수석연구원은 “여러가지 장점을 고려했을 때 삼원계 배터리가 장점이 더 많은 것은 맞지만 LFP 배터리도 주목해서 봐야 한다”면서 “2050년에는 LFP 배터리가 전체 배터리 시장의 약 30%를 차지할 전망”이라고 말했다.

포스코그룹은 2030년 100만톤의 양극재를 생산해 36조원의 달성할 것이라고 발표한 바 있다. 이는 지난해 대비 약 40만톤 증가한 목표 생산량으로 가파른 성장세를 보여준다.

■ 배터리 소재 ② 음극재 : 포스코그룹, 중국 의존도 낮추고 인조흑연·천연흑연·실리콘계 모두 생산한다

국내 배터리 관련 기업들의 세계시장 점유율을 살펴보면 배터리 핵심 공급망 중 음극재가 상대적으로 취약하다는 것을 알 수 있다. 박재범 연구원이 공개한 자료에 따르면 배터리는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온이 23%를 차지하고 있고, 양극재는 포스코퓨처엠, 에코프로비엠, 엘앤에프, LG화학이 21%를 차지하고 있으며, 음극재는 포스코퓨처엠이 8%를 차지하고 있다.

박재범 수석연구원은 “포스코그룹의 배터리 소재 관련 사업 중 리튬이나 양극재 쪽에 많이 포커싱이 되어있지만, 사실 공급망적인 측면에서 볼 때 음극재가 더 이슈가 될 수 있다”면서, “음극재 대부분을 중국에서 생산하고 있고 중국 업체들이 장악하고 있기 때문에 중국 외 기업들 중에서는 포스코퓨처엠이 가장 잘 대응할 수 있는 거의 유일한 기업”이라고 주장했다.

음극재는 천연흑연, 인조흑연, 저결정탄소, 실리콘 기반의 음극재로 나눌 수 있다. 포스코그룹은 천연흑연 음극재 제조를 위해 인상 흑연과 구형 흑연을 중국에서 가져오고 있지만, 흑연 제조 과정에서 중국 의존도가 높은 부분을 낮추기 위해 적극적으로 나서고 있다고 밝혔다.

포스코측은 인조흑연의 경우 원료를 이미 보유하고 있기 때문에 생산이 잘되면 큰 이슈가 없을 것이라고 전했다. 실리콘계 역시 포스코가 투자한 회사에서 생산을 준비하고 있는 것으로 확인됐다.

음극재에서도 포트폴리오 다양화를 준비하고 있는 포스코는 2030년까지 37만톤을 생산해 5조원의 매출을 달성할 것이라고 발표했다. 천연흑연 18만톤, 인조흑연 15만톤, 실리콘계 3만 5000톤을 생산한다는 계획이다.

■ RE100 대응을 위한 기술개발 : 리사이클링 등의 대책마련 필요하다

흔히 전기차는 이산화탄소를 발생시키지 않는다고 알고 있다. 하지만 전기차 제조과정에서 이산화탄소가 발생하고 전기차 수요가 늘어나면서 이산화탄소 배출량도 증가할 전망이다.

내연기관차가 생산과정부터 폐차될 때까지 발생하는 이산화탄소는 38.7톤으로, 전기차에서는 내연기관차의 44%인 17톤의 이산화탄소를 배출한다. 이 중 30%인 3.5톤이 제조단계에서 발생해 전기차의 ‘친환경성’이 문제라는 지적도 있다.

향후 10년간 배터리 밸류체인에서 발생하는 이산화탄소는 6배까지 급증할 전망이다. 동시에 에너지 소비량도 늘어나면서 이에 대한 대책 마련도 요구되고 있다.

박재범 수석연구원은 “운행과정에서 배출되는 이산화탄소가 없기 때문에 친환경적이라고 생각할 수 있지만, 생산하기 위해서 사용되는 전력도 친환경적이어야 되는 부분이 이슈가 될 수 있다”면서, “배터리 관련 시장이 성장하기 때문에 배터리 생산에 필요한 에너지 사용량이 9배 가량 증가하는 것도 RE100 대응을 위해 친환경적인 에너지로 바꿔야하는 과제가 있다”라고 설명했다.