연필심에서 배터리 필수소재로…흑연 자립 속도 [모빌리티]

▲포스코퓨처엠 배터리 음극재 공장 (연합뉴스)

미국 정부가 중국산 흑연을 사용한 전기차도 2026년 말까지 인플레이션감축법(IRA) 보조금을 받을 수 있도록 했다. 흑연을 ‘원산지 추적이 사실상 불가능한(impracticable-to-trace)’ 광물로 분류한 것이다.

연필심의 재료로 흔히 알려진 흑연은 배터리 음극재의 핵심 원료로도 사용된다. 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명을 결정짓는 소재다. 흑연의 규칙적인 층상 구조는 리튬이온을 잘, 그리고 많이 저장할 수 있게 한다.

현재 전 세계 천연흑연의 60%, 인조흑연의 69%는 중국에서 생산된다. 흑연을 채굴·제련하는 과정에서 나타나는 환경 오염, 안전성, 비용 문제 등으로 인해 인건비가 저렴하고 환경 규제가 비교적 약한 중국에서 흑연 생산이 활발하게 이뤄지고 있는 것이다.

우리나라는 상황이 더욱 심각하다. 한국무역협회에 따르면 지난해 우리나라는 천연흑연의 97.2%를 중국에서 수입했다. 인조흑연의 중국산 비중은 95.3%에 달한다.

이런 이유 때문에 국내 전기차·배터리 업계는 미국 정부에 특정 광물, 즉 흑연에 대한 해외우려기업(FEOC) 규제를 한시적으로 완화해 달라고 요청했다. 우리 정부도 지속적으로 미국에 IRA 관련한 우려를 전달했다.

다만 이번 조치가 ‘2년 유예’로 한시적인 만큼, 높은 중국 의존도를 낮추는 일이 시급한 상황이다. 더구나 중국 정부가 지난해 말부터 흑연 일부 품목에 대한 수출 통제를 실시하면서 공급망 다변화 필요성은 더욱 커졌다.

국내 음극재 생산 기업 포스코퓨처엠은 3월 호주 광산업체와 아프리카 모잠비크산 천연흑연을 최대 연간 6만 톤(t)까지 수입할 수 있는 계약을 체결했고, 포항에서 인조흑연을 생산하기 시작했다.

흑연을 대체한 실리콘 음극재도 주목받고 있다. 흑연 대신 실리콘을 사용하면 배터리 무게당 용량이 최대 10배 이상 높아지고, 급속 충전 설계도 쉽다.

다만 흑연 대비 높은 팽창률 문제가 남아 있다. 흑연이 충전 시 10%가량 팽창된다면, 실리콘은 300~400%에 달하기 때문에 이를 해결하기 위한 방향으로 연구개발이 진행 중이다.

상용화 역시 머지않은 것으로 보인다. 포스코실리콘솔루션은 지난달 19일 포항 영일만 산업단지에 연산 550톤 규모의 실리콘 음극재 공장을 준공했다. 2030년까지 연 2만5000톤의 생산 체제를 갖추는 것이 목표다.

2019년 세계 최초로 포르쉐 타이칸에 실리콘 음극재를 상용화한 대주전자재료는 올해 신형 포르쉐, 아우디, 스텔란티스, 기아, 포드 등으로 적용 범위를 넓힐 계획이다.

다른 소재사들도 실리콘 음극재를 차세대 먹거리로 점찍었다. SKC는 2021년 영국 넥세온에 지분을 투자해 기술을 확보하고, 1분기 중 실리콘 음극재 시생산 시설을 완공했다. 롯데에너지머티리얼즈도 실리콘 음극재 기술을 보유한 프랑스 엔와이어즈와 협력하고 있다.