[배터:Reader] 떠나간 우리 자존심은 어디에, 하이니켈 읽기

[배터:Reader] 떠나간 우리 자존심은 어디에, 하이니켈 읽기

대학생신재생에너지기자단 26기 김대건, 류호용, 27기 박지은, 조희선

본 기사는 "[취재][인터배터리 2025 견학] Intro: 한국 배터리의 가능성을 훑다"에서, 양극재에 대해 취재한 내용을 바탕으로 탐구하는 데 목적이 있습니다. 기자작성에 참여하신 단원분들과 더불어 취재에 참여해 주신 23기 김용대, 김태현, 26기 강민석, 이동주 단원에게 감사의 말씀 드립니다.

 

점점 더 멀어져 간다

[자료 1. 리튬이온 배터리 4대 핵심 소재 시장 전망치]

출처 : 파이낸셜뉴스

이차전지는 최초 등장한 이래, 전기자동차, ESS와 같은 에너지산업과 결합함에 따라 기술의 중요성은 지속적으로 커지고 있으며 미래 시장의 규모 또한 분명히 증가할 것으로 예측된다. 이제는 이차전지의 시대가 왔다고 해도 그 누가 반박하지 아니할 수 없다. 앞서 언급한 시장 규모 외에도, 휴대전화와 같은 초소형 전자기기 등 우리의 모든 삶을 영위하고 있다. 우리는 이러한 사실을, 한국을 대표하는 삼성, SK, LG 등 대기업이 배터리 3사로써 각 계열사로부터 이차전지를 생산하는 데 주력하고 있으며, 한국을 넘어 세계 자동차산업을 주도하는 현대자동차 또한 전기자동차를 생산하기 시작했다.

[자료 2. 포스코씨앤지알니켈솔루션 ]

출처 : 연합뉴스

LG화학과 더불어, 현재는 에코프로(EcoPro), 엘엔에프(L&F) 등 여러 국내기업이 이차전지의 소재산업에 몰두하고 있다. 이들이 공통으로 생산하는 이차전지 소재이자, 이번 기사의 키워드(Keyword)는 바로 양극재(Cathode Material)이다. 그리고 이번 기사에서 주목하고자 하는 주제가 바로 이 포스코(POSCO)로부터 시작된다. 철강산업으로 널리 알려진 포스코(POSCO) 그룹 또한 수많은 계열사를 통해 이차전지 원재료부터 소재생산까지의 벨류체인을 성공적으로 구축했다. 앞서 언급한 기업들보다도 더욱 막강한 자본력과 벨류체인을 바탕으로 리튬(Li), 니켈(Ni) 등 리튬이온배터리에 사용되는 핵심 광물에 적극적으로 투자와 연구를 진행해 왔다.

그러나 2025년 2월, 포스코홀딩스(POSCO Holdings)가 그룹 차원에서 추진하던 이차전지용 니켈 합작 공장 신설 프로젝트를 접을 계획을 발표했다. 포스코홀딩스는 11일 열린 주주총회에서 자회사인 포스코 씨엔지 알 니켈 설루션㈜의 해산을 결의하고 청산인 선임을 통한 청산절차를 진행하기로 했다고 공시했는데, 이 회사는 중국과의 니켈 합작 공장이며, 그 지분을 철회한 것이다. 이는 2024년부터 이어진 전기차 캐즘에 의한 사업 축소로 해석된다. 이러한 발표는 이차전지 양극재 산업에 있어 위기의 신호탄으로 볼 수 있다. 이러한 신호탄은 한국의 이차전지 소재산업이 성장해 오면서, 우리의 자존심이라 볼 수 있는 '하이니켈' 시대, 앞으로의 횡보에 대한 자신이 있는지 질문을 던진다. 본 기사에서는 이러한 양극재 산업을 살피고, 2025년 3월에 개최된 '인터배터리 2025'에서 주목된 양극재 산업의 방향성을 바탕으로 전개하고자 한다.

 

하이리스크&하이리턴 

이차전지는 크게 4가지 구성요소로 이뤄지는데, 그것이 바로 양극 소재(Cathode Material)이다. 이는 하나(Unit)의 이차전지에 대해 약 40~50% 이상의 가격 비중을 차지한다. 이러한 양극재에 대해 한국과 중국이 그동안의 시장을 개척해 왔다. 한국이 주력한 NCM의 경우, Ni의 함량이 높아짐에 따라 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있어, 동일한 무게와 부피 대비 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 따라서 전기화학적 용량이 증가하고, 전기자동차 주행거리를 늘리는 등 에너지밀도(Energy Density)를 높일 수 있다.

[자료 3. NCM 양극활물질의 층상구조]

출처 : TOBmachine

이러한 니켈의 함량을 높이는 것을 하이니켈에 도달한다고 표현할 수 있다. 하이니켈은 양극재에서 니켈의 함량이 80% 이상인 것을 말한다. 하이니켈은 높은 니켈 함량으로 인해 에너지 밀도가 매우 높아 전기차와 같은 고성능 애플리케이션에서 주로 사용된다. 하지만 하이니켈에 도달할수록, 층상구조가 더욱 불안정해진다.

더욱이, 양극에서 음극으로 리튬이온이 반복적으로 이동하는 과정에서 Ni는 Ni²와 Ni⁴ 산화환원이 많이 일어나면서 구조가 자주 변형되며 NiO2가 NiO+O로 변형되는 과정에서 남는 산소 원자(O)가 고온에서 화재를 일으키게 된다. 이는 그동안 주목받은 이차전지 화재 사고의 원인 중 하나로 주목받아 왔다. 이를 대체하기 위해 망간(Mn) 혹은 알루미늄(Al)의 함량을 높여 전기화학적 안정성을 부여한다. 망간의 경우, 보통 Mn⁴ 상태로 존재하는데, Mn⁴는 산화환원 반응에는 거의 참여하지 않고, "움직이지 않고 고정된 기둥 역할"을 함. 이에 따라 Mn⁴는 강한 MO 결합을 형성해 산소 이탈 방지, 격자 붕괴 억제, 층상 구조 유지에 이바지한다. 더욱이, NCM을 구성하는 Ni와 더불어 Co 등의 광물은 포스코가 합작공장 설립을 추진했을 정도로 가격대가 높은 광물들로 구성돼 있고, 가격 변동성 또한 문제점으로 제기되고 있다.

[자료 4. LFP 양극활물질의 결정구조]

출처 : TOBmachine

이러한 점만 놓고 본다면, 하이니켈은 에너지밀도와 더불어, 화재위험성을 높이는 '하이리스크-하이리턴(High Risk-High Return)'의 기술이다. 그러나 위험성을 따지는 도박(Gamble)성 생존게임에서, 중국은 LFP(리튬인산철 산화물)를 제시한다.

LFP는 NCM의 층상구조와 달리 LFP는 올리빈(Olivine)구조를 지니고 있다. 여기서 올리빈이란 광물 미네랄로부터 유래된 명칭인데, 이러한 올리빈 구조로 인해 격자 내에서의 부피 변화가 약 6%로 매우 적고, 산소 방출이 없기 때문에 초기 구조 손실 및 비가역 반응이 최소화된다. 더욱이, 구성하는 P(인)와 O(산소)가 사면체 구조로 매우 강하게 결합해 있어, NCM과 달리, 산소가 분출될 위험이 거의 없다. 하지만 NCM의 경우 산소가 2개가 결합한다면 LFP에는 4개가 결합해 있다. 철(Fe)과 같은 무거운 금속원소가 포함됐기에 화학 식량만 놓고 본다면 LFP는 훨씬 무겁다. 활물질(Active Material) 자체의 무게가 무겁기에 이를 바탕으로 만든 전자기기의 경우, 중량(Gravity) 당 에너지밀도는 낮다.

더욱이 NCM의 경우 층상구조 내, X-Y-Z의 방향 중, 두 가지 방향으로 리튬이온이 이동할 수 있는 2D(dimension) 경로를 지니고 있으나, LFP는 올리빈(Olivine) 구조로부터 1D의 단일 경로만 지니고 있기에, 출력의 측면에서도 NCM에 비해 성능이 낮다.

결과적으로 이 두 물질은 '성능'과 '안정성'이라는 갈림길에 서 있다. 두 마리 토끼를 잡기는 더욱 쉽지 않은 것 같다. 앞서 언급한 것처럼 한국은 NCM을 선택해 '하이니켈'을 기반으로 둔 고성능의 고급형 전기자동차에 주력했다. 반면 중국은 저렴한 LFP를 바탕으로 중국산 저가 전기자동차 등에 주력했다. 하지만 중국의 LFP 기술은 한국이 그동안 개발해 온 NCM 기술에 비해 매우 많은 연구개발(R&D)이 진행됐다. 더욱이, LFP 자체에 대한 특허가 중국이 지난 10여년간 독점했기에 LFP에 대한 연구개발의 벽 또한 한국의 자체 기술로 넘기는 쉽지 않다. 오히려 불가능으로 쳐도 무방하다.

4대 소재 시장 금액의 공급업체 국가별 점유율은 한·중·일 3개국의 공급의존도가 절대적이다. 특히 중국 업체에 대한 의존도가 양극재 58%, 음극재 86%, 전해액 59%, 분리막 56%로 높은 상황이다. 4대 소재 생산량도 중국이 양극재 60%, 음극재 84%, 전해액 72%, 분리막 68%로 가장 높은 수준이다. SNE리서치 관계자는 "최근 미국 인플레이션 감축법(IRA)을 계기로 한국 배터리의 소재 시장 확대의 절호 기회가 될 것으로 보고 있다"라며 "향후 이 시장을 선점하는 소재 업체들이 업계 구도를 새로이 재편할 것"이라고 내다봤다.

이러한 중국은 이제는 한국의 하이니켈 시장을 위협하고 있다. 지속적으로 대두되는 배터리 화재 사고, 핵심 광물의 가격 변동성과 더불어 중국은 가격과 기술이라는 막강한 무기로 한국의 배터리 시장을 위협하고, 전기차 캐즘에 의한 상처를 더욱 아프게 한다. 중국의 LFP로부터 우리의 시장을 지킬 방법이 절실하다.

 

중국을 이길 미드니켈

그중 한 가지는 미드니켈은 양극재에서 니켈의 함량이 약 50~70% 사이인 것을 말한다. 대표적인 예로는 NCM523(니켈 50%, 코발트 20%, 망간 30%)이나 NCM622(니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%) 등이 있습니다. 미드니켈은 니켈 함량이 상대적으로 낮기 때문에 하이니켈에 비해 에너지 밀도는 다소 낮지만, 안정성과 수명 면에서 우수한 특성을 가질 것으로 기대된다.

[자료 4. LFP 양극활물질의 결정구조]

출처 : FOCUS ON

하지만 낮은 에너지밀도를 극복할 방법이 있다. 그 첫 번째 방법은 양극재 결정을 '단결정화(Single-Crystal)'하는 것이다. 기존 양극재는 금속 입자들을 작게 뭉쳐 만든 다결정(Multi-crystal) 구조였다. 이러한 구조로부터, 충전과 방전이 반복될수록 소재 사이에 틈이 벌어지고, 앞서 말한 NCM에서 Ni-O결합 이외의 산소 가스등 틈에서 가스가 발생하며 전지 수명이 점차 줄어들고 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하는 것이었다. 이러한 단점을 막는 것이 바로 단결정 양극재란 리튬 및 니켈 등의 원재료를 하나의 입자로 뭉쳐 제조한 여러 금속 입자를 단일 입자로 구성해 가스 발생이 적어서 안정성이 높아지고 배터리 수명 또한 기존보다 30% 늘어나며, 용량 또한 10% 이상 늘어난다. 이는 단결정 양극재가 기존 양극재보다 양극재의 집적밀도를 더 높일 수 있기 때문이다.

구체적으로, Cycle의 반복에도 물성을 유지할 수 있어 입자 간 Crack 발생을 억제해 배터리 수명이 늘어난다는 장점이 있다. 이는 다시 입자 크기에 따라 대입경과 소입경으로 구분되는데, 대입경과 소입경은 각 10μm, 2.5μm 전후의 크기를 형성하고 있다. 일반적으로 대입경과 소입경 단결정 양극재를 7:3 비율로 혼합해 양극재 극판을 제조하고 있으며, 이를 바이모달(Bi-Modal)이라고 명명한다. 입자가 단단하므로 Cycle의 반복에도 물성을 유지할 수 있어 입자에 Crack이 발생하거나 파괴되어 가스가 발생할 확률이 줄어들어 배터리 내부가 부풀어 오르는 현상을 최소화할 수 있고, 잔류 리튬 발생량이 적어 이를 제거하기 위한 ‘수세 공정’을 생략해 제조 공정이 짧아진다.

또 다른 방법은 고전압(High Voltage)으로 운용하는 것이다. 이는 에너지밀도(Wh/kg)가 소재의 이론 용량(Ah/kg) x 전압(V)이라는 전압에서 소재 자체의 이론 용량에 접근하는 방법이 아닌 전압의 면에서 이 수식을 완성하는 것이다. 단결정 양극재 적용 시 Mid-Ni 양극재에 높은 전압을 적용하더라도 결정에 균열이 발생하지 않기 때문에 에너지 밀도가 High-Ni 9:½:½ 제품과 에너지 밀도가 유사해지며 가격은 오히려 낮아지게 된다. 위험으로는 소성온도가 높고 분진 관리가 어려워 다결정 양극재 대비 가공 및 품질 관리가 어렵고, 수산화리튬보다 약 70% 비싼 무수 수산화리튬(LiOH, 내부 수분 함량이 0에 수렴하는 수산화리튬)을 사용해야 한다는 측면이 있다.

 

개척해 나가는 한국만의 2025년 로드맵

이러한 기술의 개발과 앞서, 한국 기업들의 선택이 주목됐고, 그 해답은 3월에 개최된 '인터배터리 2025'에서 찾을 수 있었다. 3월 5일부터 3일간, 서울 강남구 삼성동 코엑스(COEX)에서 개최된 ‘인터배터리 2025’는 그동안의 영향력을 이어감과 동시에, 관객에게 있어 배터리의 불황을 극복하기 위한 차세대 기술과 사업 비전을 전시했다. 한국인뿐만 아니라 외국인 방문객들도 상당히 많았으며, 주요 부스 앞에서는 설명을 듣거나 제품을 관찰하는 사람들이 몰려 발 디딜 틈이 없을 정도였다. 특히 국내외 수많은 관객과 연구진 앞에 선보인 기술들은 세계시장에 한국의 경쟁력과 희망을 기대하는 계기가 됐다.

행사가 개최되기에 앞서 배터리의 양극재(Cathode Material)는 가장 화두에 오른 주제였다. 양극재는 배터리에서 가장 많은 가격 비중을 차지하고, 성능을 결정하는 핵심 소재에 해당한다. 이번 행사에서 각 기업은 배터리 불황 속, 선택과 계획을 포함한 로드맵을 제시해야 했다. 하지만 최근에, 전기차 화재가 대두됨과 동시에 지속됨에 따라 중국의 LFP가 주목받기 시작했고, 이번 전시회에서 NCM과 LFP에 대한 각 기업의 선택이 주목됐다.

① 독자적인 기술개발, 전략적인 LG화학

[자료 6. LG화학의 인터배터리 부스 ]

출처 : ⓒ26기 류호용

LG화학의 부스는 양극재를 위주로 관람하고자 하는 관객은 실제 양극재 분말을 관찰하는 것과 동시에, LG화학은 실제 양극재 입자의 현미경 이미지를 종류별로 대조함으로써 여러 관객층을 사로잡을 수 있는 콘텐츠와 더불어, 지식을 전달하는 등 모두를 위한 전시가 진행됐다. 기술적인 측면에서는 하이니켈을 시작으로 고전압 미드니켈이 하이니켈과 같은 에너지밀도를 갖출 수 있도록 점진적으로 개발하는 것과 더불어, LFP에 소홀하지 않고, 관련 산업에 대비할 것을 관객들에게 강조했다, 또한 기존에 사용되는 전구체(Precursor)와 레시피에서 벗어나 독자적인 기술, LPF(LG Precursor Free) 기술을 선보였다. 이는 LG의 우수한 개발 능력과 동시에 배터리가 친환경을 위해 나아가고 있음을 확실히 체감할 수 있었다.

② 하이니켈을 넘어 울트라로, EcoPro

[자료 7. EcoPro의 인터배터리 부스 ]

출처 : ⓒ26기 류호용

에코프로(EcoPro)는 미드니켈에서 시작해 하이니켈, 나아가 울트라니켈에 이르는 독자적으로 용량을 높이는 전략을 제시했다. 24년도에도 전시회에 참석한 관객들은 더욱 커지고, 체계화된 에코프로의 부스를 보며, 불황에 굴하지 않고, 걸어가고자 하는 길이 확고함을 관객들은 체계적으로 체험할 수 있었다.

③ 철강처럼 견고한 POSCO

[자료 8. POSCO의 인터배터리 부스]

출처 : ⓒ26기 류호용

포스코(POSCO)는 에코프로의 하이니켈 전략과 더불어 다양한 양극재를 소개했다. 포스코는 자회사에 의한 벨류체인을 바탕으로, 리튬을 추출하는 것을 포함해, 벨류체인의 SUV를 전시회장에 위치시킴으로써 원재료부터 시작해 최종적으로 완성품까지 이어지는 체계적인 벨류체인으로부터 관객들의 흥미를 끌었다. 포스코퓨처엠을 바탕으로 하이니켈, 미드니켈 등 기초로부터, LFP와 LMR(리튬망간리치) 등 소재의 안정성에도 넓게 투자하겠다는 포부가 각 배터리 소재별로 분리된 모니터에 드러난 육각형 그래프와 생산전략을 동시에 파악할 수 있었다.

④ 한국의 LFP를 선두자, 엘엔에프

[자료 9. L&F 부스 모형]

출처 : ⓒ26기 류호용

엘엔에프(L&F) 또한 현미경으로 확대한 실제 입자를 10만 배 확대한 모형물과 함께, 관객의 시선을 사로잡았다. 엘엔에프는 하이니켈과 동시에, 다른 기업들과 달리 LFP 산업에 진심으로써, 확실한 길을 개척하고 있음을 확인하기 충분했다. 이러한 길은 엘엔에프가 국내 최초 LFP를 선도하는 기업이라는 점을 강조하고, 세계지도에 드러난 독자적인 LFP 생산과 미국을 포함한 다양한 국가에 생산시설을 비롯한 벨류체인이 확고함을 관객에게 인상 깊게 소개했다.

기대에 부응하듯 한국산업의 비전이 확실히 소개됐고, 양극재 산업은 많은 기업들이 성장세에 올라와 있는 것에 대한 믿음을 관객들에게 전달했다. 이들에게 기존의 하이니켈 시장이 위협받는 것을 넘어 LFP에 도전하는 것은 매우 큰 도전이다. 중국에 비해 10년 이상의 기간이 뒤처져 있고, 전고체의 상용화가 확실하지 않은 상황에서 한국 기업들은 하이리스크가 예상되는 상황 속, 이른바 ‘신의 한 수’의 판단이 절실했다.

그런데도, 한국기업들의 다양한 비전 로드맵과 개척하려는 방향성은 우리에게 하나의 희망 제시한다. 양극재 시장은 혼돈한 상황 속, 기존의 선택지를 모두 채택한 것과 동시에 미드(Mid)라는 방식으로 중립적인 선택, 나아가 독자적인 길을 개척하고 있음을 나타냈다.

 

계절은 다시 돌아오지만

[자료 10. 미래의 한국자동차 ChatGPT 이미지]

출처 : 쉽게 읽는 경제사회

조금의 시사만 접한다면 전기차 시장, 현재의 이차전지 시장이 얼마나 암울했는지는 체감하는데 크게 어렵지 않다. 많은 기업이 적자에 시달리고 있을뿐더러, 중국의 견제를 이겨내는 것조차 어려워졌다. 모든 기술이 산업에 적용되고, 상용화되는 과정의 끝은 결국 돈(price)이다. 아무리 좋은 기술이더라도, 접근조차 할 수 없는 비용을 초과하는 기술은 결코 '이론(Theory)'에 불과하다.

여전히 배터리 산업은 불황 속에 있지만, 단순한 생존을 넘어 미래를 개척하는 기업들의 도전은 계속되고 있다. 항상 흥할 것이라 기대되는 것은 세상에 존재하지 않는다. 떠나간 믿음과 기회, 주어진 불확실성으로부터 우리 시장이 다시 숨 쉴 수 있는 계절은 다시 돌아올 것이다. 그것이 비록 언제일지라도 사이클(Cycle) 속에서 봄날이 돌아올 것이라 굳게 믿어볼 수 있을 것 같다.

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양극재에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "다결정에서 단결정으로, 진화하는 양극재 시장",  23기 신지연,  https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4480

다결정에서 단결정으로, 진화하는 양극재 시장

2. "우리나라는 왜 하이니켈일까? ", 21기 곽서영, 21기 한세민, 22기 정의희,  https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4124

우리나라는 왜 하이니켈일까?

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참고문헌

[점점 더 멀어져 간다]

1) 김동규, 연합뉴스, "포스코홀딩스, 캐즘에 이차전지용 니켈 합작사업 접는다", 2025.02.11, https://www.yna.co.kr/view/AKR20250211150200003

[하이리스크&하이리턴]

1) 강희종, 아시아경제, " [배터리완전정복]⑬특허 봉인 풀린 LFP, 한국은 中 따라잡을 수 있나 ", 2023.12.02, https://www.asiae.co.kr/article/2023113015434988642

2) TOB new Energy, Top of the Best, "NCM, LFP, LFMP의 성능 비교", 2023.12.18,  https://ko.tobmachine.com/blog/performance-comparison-of-ncm-lfp-and-lfmp_b100

[중국을 이길 미드니켈]

1) LG케미토피아, "FOCUS ON – 하이니켈 단결정 양극재", 2024.02.19, https://blog.lgchem.com/2024/02/19_focuson_singlecrystal_highnickel/