포스코퓨처엠

일상에서 자동차를 달리게 하고, 전기를 저장하고, 수천 도의 열을 견디는 기술의 바탕에는 늘 ‘소재’가 있습니다.

그리고 그 소재의 중심에는 ‘포스코퓨처엠’이 있습니다. 배터리의 핵심소재인 양극재와 음극재부터 고온의 제철 공정을 가능하게 하는 내화물까지, 포스코퓨처엠의 ‘소재’들은 지금 이 순간에도 우리의 삶과 미래를 바꾸는 데에 활용되고 있죠.

[뿌리를 찾아서]에서는 포스코퓨처엠이 만드는 주요 소재들의 발자취를 따라 어떻게 우리의 일상과 산업에 스며들었는지 살펴봅니다.

이어지는 두 번째 이야기는 배터리의 충전 속도와 수명을 좌우하는 ‘음극재’의 뿌리를 따라가보겠습니다.

1. 음극이라는 단어는 어디서 왔을까?
음극재는 양극재와 마찬가지로 배터리를 구성하는 4대 요소 중 하나로, 양극에서 나오는 리튬이온을 받아들였다가 다시 방출하며 전류를 흐르게 하는 역할을 맡고 있습니다.

‘더 빠르게 충전되고, 더 오래 쓸 수 있는 배터리 소재’를 만드는 것이 과제인 우리에게 배터리의 충전속도와 수명을 결정하는 음극재의 중요성은 아무리 강조해도 모자랄 정도죠.

음극재는 ‘음극을 구성하는 재료’라는 뜻을 가지고 있는데요. ‘음극’이라는 용어는 양극재편(보러가기)에서 소개한 영국의 과학자인 마이클 패러데이(Michael Faraday)’에 의해 명명되었고, ‘올라가는 길’이라는 뜻의 ‘anodos’라는 그리스어에서 유래되어 ‘Anode’라고 불리게 되었습니다.

여기서 또 하나의 재미있는 사실!☝

과학자 마이클 패러데이가 전기화학 용어를 정의한 것은 혼자만의 성과가 아닙니다. 요즘 표현으로 ‘이과감성’이 가득해 상대적으로 언어에 약했던 패러데이는 인문학의 조예가 깊은 ‘윌리엄 휴얼(William Whewell)’에게 의견을 구했고, 휴얼이 자문을 해주며 의도에 맞는 단어를 붙인 것이랍니다.

2. 음극재의 시작과 발전, 그리고 미래

음극재의 뿌리는 1800년 세계 최초의 전지인 ‘볼타전지’가 등장한 시점까지 거슬러 올라갑니다.

볼타전지는 묽은 황산용액(H₂SO₄)에 아연(Zn)과 구리(Cu) 금속판을 넣어 만들었는데, 이 중 음극은 전자를 쉽게 방출할 수 있었던 ‘아연 금속판’이 담당했습니다. 즉, 최초의 음극재는 아연이었던 것이죠!

하지만 볼타전지는 충전이 불가능하고 수명이 짧아 이를 개선하기 위해 ‘납’을 음극재로 활용한 최초의 충전식 전지인 ‘납축전지’가 개발되는데요. 납축전지는 저렴하고 안정적이라 현재까지도 자동차의 저전압 배터리 등에 활용되고 있지만, 음극재로 사용된 납(Pb)이 인체와 환경에 유해하다는 사실이 알려지며 지적을 받았습니다.

이후 카드뮴, 수소 합금 등을 음극재로 활용한 배터리들이 등장하는 과도기를 지나 현재의 리튬이온 배터리까지 오게 되는데요. 오늘날 리튬 이온 배터리에 사용되는 음극재의 형태를 구현한 것은 일본의 요시노 아키라 박사입니다.

1980년대 요시노 박사는 탄소소재가 리튬과 잘 반응하는 것을 발견하고, 석유 코크스를 음극재로 사용한 리튬이온 배터리를 개발하게 되는데요. 이것이 오늘날 음극재의 원료로 ‘흑연’이 널리 사용되는 계기가 되었답니다.

현재 음극재용 흑연은 ‘천연흑연’과 ‘인조흑연’ 두 가지가 주로 사용되고 있는데요. ‘천연흑연 음극재’는 에너지 저장용량이 크고 매장량도 풍부해 가격경쟁력이 우수한 반면, ‘인조흑연 음극재’는 코크스를 가공해 제조되며, 고속 충전에 유리하고 고온 가공을 통해 구조적 안정성을 높일 수 있다는 특징을 갖고 있습니다.

한편, 최근에는 전기차의 주행거리와 충전속도의 한계를 극복하기 위해 실리콘, 리튬메탈 등 신소재를 활용한 음극재 기술이 연구ㆍ개발되고 있습니다.

특히, ‘실리콘 음극재’는 흑연 대비 최대 10배 가량 용량을 높여 전기차의 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있고, 급속충전 설계도 용이한데요. 하지만, 아직까지 수명과 부피팽창 등의 문제가 있어 현재는 흑연계 음극재에 일정비율 첨가하는 수준으로 사용되고 있습니다. 최근에는 학계와 업계에서 성능 강화를 위한 기술적 노력이 지속되고 있어 머지 않아 완전한 상용화가 기대되고 있습니다.

리튬메탈 음극재는 금속 리튬을 활용한 음극재로서, 배터리의 무게당 에너지 밀도를 획기적으로 증가시킬 수 있는 소재인데요. 추후 전고체 배터리에 탑재해 미래 전기차 배터리 시장을 이끌어갈 차세대 소재로 각광받고 있습니다.

3. 음극재와 포스코퓨처엠

지금까지 음극재의 시작부터 현재까지의 발전 양상을 살펴보고 차세대 기술까지 살펴봤습니다. 음극재가 배터리의 충전속도, 수명에 영향을 끼치는 만큼 음극재의 성능이 곧 배터리의 성능이라고 해도 과언이 아닌데요.

포스코퓨처엠은 국내 유일의 흑연계 음극재를 생산하는 기업으로서 인조흑연 음극재는 물론, 천연흑연 음극재의 중간소재인 구형흑연의 국산화도 추진하는 등 특정 국가 대한 원료 의존도는 낮추고, IRA 등 권역별 공급망 강화 정책에 대응하기 위한 노력을 지속하고 있습니다.

이 뿐만 아니라 포스코홀딩스의 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST)등 그룹사와의 협업을 통해 실리콘, 리튬메탈 음극재 등 차세대 음극재 개발도 활발히 진행하고 있는 만큼 글로벌 음극재 시장을 주도해 나가는 기업으로 도약할 계획입니다.

음극재 시장의 새로운 기준을 만들어 갈 포스코퓨처엠의 모습을 지켜봐 주세요!