휴대용 전자기기, 전기차, 로봇 등 산업기술이 발전하면서 2차전지의 중요성이 나날이 높아진다. 글로벌 기업이 2차전지를 새로운 성장동력으로 눈여겨보는 이유도 넓은 활용 영역 덕분이다. 철강회사인 포스코는 그룹사 차원에서 2차전지 핵심 소재를 미래 신성장 사업으로 육성 중이다.
2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 다시 충전해 반복 사용이 가능한 배터리를 말한다. 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지로 양극, 음극, 전해질, 분리막, 용기로 구성된다. 양극재와 음극재 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 의해 전기가 발생한다.
2차전지에서 충전은 양극에서 분리막을 지나 음극으로 이동하며, 방전은 음극에서 양극으로 이동하는 것이다. 미래 이동 수단으로 꼽히는 친환경 전기차에 필수적인 리튬이온 배터리가 대표적인 2차전지로 꼽힌다.
2차전지와 달리 1차전지는 쉽게 말해 시계, 리모컨 등에 사용되는 배터리다. 한번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 배터리를 1차전지라고 한다. 건전지, 알칼리전지가 대표적인 1차전지다.
◇ 양극재와 음극재란?
양극재는 배터리의 플러스(+)극, 즉 양극을 만드는 소재다. 포스코그룹에서는 포스코ESM이 양극재를 생산한다. 포스코ESM에서는 글로벌 시장에서 후발주자지만 최근 니켈 80% 이상 고용량 활물질도 세계 최초로 양산하는 등 기술력에서 세계 유수 이차전지 활물질 회사와 어깨를 나란히 한다.
음극재는 양극에서 나온 리튬을 저장했다가 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재로 현재 포스코켐텍이 국내 유일의 음극재 양산 업체다.
포스코켐텍은 11월 음극재 1공장을 종합준공하고 2019년 하반기까지 1단계인 4개의 생산라인을 완공해 연산 2만톤 생산능력을 확보하고 향후 시장 상황에 따라 2021년까지 총 10개의 생산라인을 순차적으로 증설해 연산 5만톤 규모로 확장할 계획이다.
◇ 리튬이온 배터리의 장점은?
1차전지의 경우 한번만 사용하고 버리게 되는데 이때 새 배터리를 만들기 위해 더 많은 자원이 소비된다. 방전 후에는 화학물질로 인해 환경오염을 일으킬 수 있다는 단점이 있다. 반면 2차 전지는 충전을 통해 500~2000번까지 반복해 사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.
대표적인 2차전지로 꼽히는 리튬이온 배터리 역시 수명이 길다는 장점이 있다. 동일 용량의 다른 배터리보다 무게와 부피 소형화가 가능하며 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않는다. 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없고, 보통 배터리보다 높은 출력 구현이 가능하다는 이점도 있다.
리튬은 전기차 및 에너지 저장 장치(ESS)의 필수 소재다. 리튬 수요량은 2017년 25만톤에서 2025년까지 71만톤으로 3배쯤 급증할 전망이다.
이처럼 리튬은 성장성이 높은 사업이다. 포스코는 지난 8년간 노력으로 리튬 상업화 초기 단계까지 왔다. 2010년 포스코는 리튬 직접 추출 기술을 세계 최초 개발했다. 2013년부터 2015년까지 칠레 및 아르헨티나 염호에서 리튬 시험 생산에 성공했고, 2016년에는 광양제철소 내 연산 2500톤 데모 플랜트를 건설했다. 2017년 2월부터 탄산리튬을 생산 중이다.
포스코는 올해 고성능 전기차용 배터리에 주로 사용되며, 공정관리가 까다로운 수산화리튬까지 생산에 성공했다. 국내 업체가 전량 수입에 의존하고 있는 고품위 수산화리튬을 국산화해 공급함에 따라 국내 리튬 2차전지 산업의 경쟁력이 높아질 것으로 기대된다.
◇ 2차 전지 핵심 물질 ‘리튬’
리튬은 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속하며, 원자 번호는 3이다. 지구상에 존재하는 물질 중 세 번째로 가벼운 물질이다.
최근 리튬이 미래 산업의 쌀, 또는 ‘하얀 석유’로 불리게 된 것은 2차전지가 미래 신성장 산업으로 떠올랐기 때문이다. 휴대전화, 노트북 등 휴대용 전자기기에 이어 전기 자동차, 로봇 산업에 필요한 2차 전지를 만들기 위해 리튬은 필수적인 소재로 주목받는다.
리튬을 활용한 2차 전지는 보통 전지보다 적은 무게로 더 높은 전압의 전기를 만든다. 일반 전지의 전압은 1.3~2V인데, 리튬이 포함된 전지의 전압은 3V 이상이다. 또 타 금속 이온에 비해 작고 가벼워 단위당 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.
포스코는 당초 염호에서 리튬을 추출하는 기술을 기반으로 리튬 사업을 추진했다. 하지만 염호 확보가 지연되면서 폐이차전지로부터 리튬을 생산하는 기술과 광석인 리튬정광으로 리튬을 추출하는 기술을 함께 개발하는 성과를 이뤘다.
10월 리튬 광석으로 제조가 가능한 설비를 준공해 폐이차전지뿐 아니라 광석을 이용해서도 리튬 생산도 가능해졌다. 2021년부터는 광산권을 인수한 아르헨티나 염호로부터 리튬을 생산할 예정이다.
포스코는 전 세계에서 유일하게 폐이차전지와 리튬 광석, 염호까지 활용 가능한 리튬 생산체제를 확보하게 돼 향후 연간 5만5000톤 규모의 리튬을 생산할 것으로 전망된다. 리튬 5만5000톤은 전기차 110만~120만대분의 배터리를 제조할 수 있는 분량이다.
포스코는 12월 5일 최정우 회장 취임 100일을 맞아 ‘100대 개혁과제’를 발표하고 그룹 내 양·음극재 사업 통합, ‘이차전지 소재 종합연구센터’ 설립했다. 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 17조원 규모의 사업으로 키워 그룹 성장을 견인할 예정이다.