흑연 공급망 틀어쥔 中…흑연없는 음극재 대안으로 [모빌리티]

▲포스코퓨처엠 음극재 공장 (사진제공=포스코퓨처엠)

배터리에 들어가는 핵심광물이 글로벌 기술 패권의 무기가 되고 있다. 미국이 중국에 대한 반도체 수출 통제 고삐를 죄자, 중국은 핵심광물 수출 제한으로 맞불을 놨다. 갈륨ㆍ게르마늄ㆍ안티몬 등 반도체와 디스플레이용 핵심광물의 대미 수출을 금지하고, 이차전지에 쓰이는 흑연은 수출 허가의 문턱을 더욱 높이기로 했다. 중국은 지난해 12월부터 배터리용 흑연 수출 통제 조치를 시작한 바 있다.

현재 상용화된 리튬이온배터리에는 대부분 흑연계 음극재가 쓰인다. 흑연은 안정적인 층상 구조를 띠고 있어 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있다. 음극재가 리튬이온을 잘, 그리고 많이 받아들일수록 배터리 수명이 길고 충전 시간은 짧아진다.

배터리용 흑연 공급망은 중국이 꽉 쥐고 있다. 매장량 기준으로는 중국 비중이 전 세계에서 23%에 불과하지만, 채굴·가공을 통한 생산량은 전 세계의 65.4%(인조흑연 포함ㆍ2022년 기준)에 달한다.

흑연계 음극재 시장도 중국 업체가 장악한 상태다. 흑연을 가공하려면 고온의 열처리가 필요한데, 중국은 저렴한 전기료와 인건비를 통해 가격 경쟁력에서 앞선다. 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 올해 5월 기준 전 세계 음극재 출하량 순위 1~9위가 모두 중국 기업이었고, 국내 포스코퓨처엠이 10위였다.

우리나라에서 유일하게 흑연계 음극재를 생산하는 포스코퓨처엠은 중국이 아닌 탄자니아, 마다가스카르 등의 광산에서 원료를 조달해 음극재용 흑연으로 가공하고, 제철 공정에서 나온 부산물(콜타르)로 만든 인조흑연을 직접 생산해 공급망 다각화에 주력하고 있다.

배터리 셀 업체들은 흑연을 다른 소재로 대체한 음극재 개발도 진행 중이다.

흑연 대신 실리콘을 활용한 음극재가 대표적이다. 흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개를 저장할 수 있어 에너지 밀도를 최대 10배 향상할 수 있다. 업계와 학계가 협력해 충·방전 시 실리콘이 팽창하는 문제를 해결하는 기술 개발도 이뤄지고 있다.

전고체 배터리 개발과 함께 리튬메탈 음극재를 활용하는 방안도 주목받는다. 에너지 밀도는 실리콘과 비슷하지만 무게가 월등히 가볍고, 리튬이온과의 반응성이 뛰어나 충전 속도를 더욱 단축시킬 수 있다. 고체 전해질이 리튬메탈 음극재의 문제점으로 꼽히는 덴드라이트(음극 표면의 리튬 결정) 현상으로 인한 셀 손상도 방지한다.