음극재는 2차전지 수요 증가로 호조를 이어가고 있다.
2차전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 등 핵심소재가 제조코스트의 절반 가량을 차지하고 있지만 원천기술이 부족해 일본 및 중국산 수입의존도가 높게 나타나고 있다.
그러나 음극재는 포스코켐텍(대표 이영훈)이 천연흑연을 표면 처리함으로써 출력효율을 인조흑연의 90%까지 끌어올리며 인조흑연 대체에 성공해 수입의존도를 크게 낮출 수 있게 됐다.
포스코켐텍은 인조흑연 생산에도 도전한다고 밝혀 앞으로 음극재 시장에서 영향력을 크게 확대할 것으로 예상된다.
천연흑연의 원료로 사용되는 니들코크스(Needle Cokes)는 포스코켐텍의 자회사인 피엠씨텍이 생산하고 있으며 전량 중국에 수출하고 있는 가운데 환경규제 강화와 철강 구조조정에 따라 2017년 하반기까지 호조를 누릴 것이 확실시되고 있다.
니들코크스는 중국이 가격상승을 주도하고 있으며, 특히 전극봉용 가격은 초강세를 이어가고 있다.

음극재 호조에 니들코크스까지 “희색”
포스코켐텍은 음극재 수급타이트가 이어지며 영업실적이 개선됐다.
2017년 1/4분기 매출이 2858억7300만원으로 전년동기대비 2.8% 늘어나고 영업이익은 305억4300만원으로 148.9% 급증했으며 2/4분기에도 매출이 2940억700만원, 영업이익 270억800만원으로 각각 8.4%, 44.3% 늘어나며 호조를 지속했다.
상반기 전체적으로는 매출이 5.6% 증가했고 영업이익은 85.7% 폭증해 수익성이 급격히 개선된 것으로 파악된다.
2차전지 수요가 전반적으로 증가해 음극재 시황 개선에 영향을 미친 영향이 큰 것으로 파악되고 있다.
포스코켐텍은 음극재 생산능력이 2016년 7월 6000톤에서 2017년 7월 8000톤으로 증가했으며 2018년 2월까지 1만6000톤으로 확대하고 2020년에는 4만톤 이상을 확보할 계획이다.
포스코켐텍 관계자는 “음극재 매출이 2016년 230억원에서 2017년 420억원으로 2배 가까이 늘어날 것”이라며 “2020년 2000억원을 넘어설 것으로 기대한다”고 밝혔다.
포스코켐텍은 지분 60% 보유하고 있는 자회사 피엠씨텍이 니들코크스를 생산하고 있어 니들코스트 급등에 따른 수혜까지 기대되고 있다.

인조흑연 음극재 국산화 도전?
포스코켐텍은 인조흑연 음극재 생산에도 도전할 계획이다.
인조흑연은 천연흑연에 비해 2배 이상 높은 가격을 형성하고 있다.
흑연은 자연에서 판 형태이기 때문에 표면처리를 통해 인조흑연과 같은 구형을 갖추게 되며 포스코켐텍은 콜타르 피치(Pitch)를 통해 하드카본과 유사한 방식으로 코팅해 표면을 처리함으로써 출력효율을 높이고 있다.
인조흑연의 출력효율을 100%라고 가정했을 때 천연흑연은 표면처리를 통해 80-90%까지 높일 수 있으며 포스코켐텍 생산제품은 효율이 90%에 가까운 것으로 알려지고 있다.
하드카본은 출력효율이 높으나 초기효율이 50-60%에 불과함에 따라 흑연과 혼합해 사용하는 방식으로 채용하고 있다.
포스코켐텍은 천연흑연이 90%에 육박하는 출력효율을 나타냄에 따라 코스트 경쟁력을 무기로 인조흑연을 대체하고 있어 수익성이 우려되는 상황에서도 국산화에 도전할 것을 예고했다.
포스코켐텍 관계자는 “인조흑연과 천연흑연은 용도가 다르기 때문에 개발할 가치가 충분하다”고 주장했다.
특히, 자회사 피엠씨텍이 인조흑연의 원료인 니들코크스를 생산하고 있기 때문에 코스트 경쟁력에서 우위를 점할 수 있을 것으로 예상된다.

니들코크스, 중국이 가격상승 유발
니들코크스는 중국 정부가 불법 철강 생산에 대한 단속을 강화하면서 가격이 고공행진을 이어가고 있다.
니들코크스 가격은 2차전지용이 2017년 초 톤당 400달러까지 떨어졌으나 8월 말 4500달러 안팎으로 폭등했다.
피엠씨텍은 2016년 3월 포스코켐텍이 일본 Mitsubishi Chemical과 합작으로 설립한 국내 유일의 니들코크스 생산기업으로 콜타르 증류, 추출, 코킹, 하소 공정을 거쳐 니들코크스를 생산하고 있다.
광양공장은 생산능력이 6만톤으로 전량 중국에 수출하고 있다.
글로벌 가격은 2차전지용 수요 증가 뿐만 아니라 전극봉용 사용도 확대됨에 따라 폭등세가 이어지고 있다.
전극봉은 금속의 절단, 용접이나 전기로의 전극 등에 사용하며 최근 중국 정부가 중주파 유도전기로에서 조악한 철강을 만드는 지조강 등 불법 조강설비를 단속함에 따라 일반 전기로의 가동률이 높아져 수요가 급증하고 있다.
피엠씨텍 관계자는 “니들코크스 수요는 인조흑연 음극재 원료용과 전극봉용으로 구분된다”며 “최근 전극봉용 구매기업들이 구매에 적극적으로 나서며 높은 가격을 제시하고 있다”고 밝혔다.
이어 “2017년 초에 비해 5-8배 폭등했다”고 덧붙였다.
니들코크스 가격은 8월 초 2차전지용이 톤당 3000달러, 전극봉용이 1만2000달러 수준이었으나 8월 말에는 각각 4500달러, 1만6000달러까지 폭등했다.
시장 관계자는 “가격이 짧은 기간에 10배 이상 폭등해 시황이 안정되면 급락할 가능성도 있다”며 “하지만, 중국이 환경규제를 강화하고 전기로를 증설하고 있어 2017년 하반기에는 내내 강세를 유지할 것”이라고 강조했다.

실리콘, 흑연 대체는 “꿈”
실리콘(Silicoe)은 음극재용 흑연을 대체할 것으로 기대됐으나 실현 가능성이 낮은 것으로 알려졌다.
음극재는 에너지 밀도를 높이기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
실리콘계 음극재를 채용한 배터리는 이론적으로 10배, 실제로는 3배까지 에너지 밀도를 높일 수 있는 것으로 알려져 전기자동차(EV)에 적합한 2차전지 개발을 위해 R&D(연구개발) 강화가 요구되고 있다.
현재는 흑연에 실리콘 소재를 3-5% 혼합해 산화물, 합금, 탄소 등으로 코팅하고 실리콘의 반응성을 차단함으로써 상용화를 시도하고 있다.
실리콘옥사이드 방식은 다른 기술에 비해 충·방전 수명이 길지만 초기 효율과 충·방전 속도가 느리고 제조코스트가 높은 것이 단점으로 작용하고 있다. 국내에서는 대주전자재료가, 일본에서는 Hitachi, Shin-Etsu Chemical이 개발하고 있다.
합금코팅 방식인 실리콘 얼로이(Si Alloy)는 실리콘 옥사이드 방식보다 전기전도도가 높은 것으로 알려졌으며 일진전기가 연구하고 있다.
탄소코팅 방식은 실리콘 탄소 복합체로 불리며 부피팽창을 막아내는 힘이 다른 방식보다 약해 실리콘 비중이 적고 용량도 다른 방식보다 적은 것으로 알려졌다. 국내에서는 SJ신소재와 포스코켐텍이 연구하고 있다.
개발기업들은 실리콘 비중을 10%까지 채용하는 것을 목표로 하고 있으며 에너지 밀도를 10-15% 가량 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
하지만, 실리콘은 물질구조를 깨지 않고 반응하는 흑연과 달리 반응성을 보유하고 있어 배터리 충·방전 수명을 단축시킴에 따라 상용화하기 힘든 것으로 파악된다.
시장 관계자는 “실리콘은 20-30년 전부터 음극재용으로 사용 가능하다는 의견이 제기됐다”며 “연구기간이 10년을 넘어섰으나 상용화하지 못했다”고 주장했다.

미국, 실리콘 70% 음극재 개발
미국 Enevate는 실리콘 소재를 70%까지 채용한 음극재를 개발했다고 2016년 발표했다.
Enervate가 개발한 음극재는 에너지 밀도가 기존 음극재에 비해 1.5배 높고 충전속도 역시 15분 안에 90%, 5분에 50% 등으로 초고속 충전을 실현할 수 있는 것으로 알려졌다.
Enervate의 박용만 박사는 “에너지 밀도 증가를 주목표로 삼았으나 초고속 충전과 같은 추가적인 이점을 얻게 됐다”며 “벤치마크 테스트에서 스마트폰 사용시간이 30-50% 늘어났다”고 주장했다.
전도물질로 탄소, 주요 활성물질로 실리콘을 채용했으며 실리콘의 반응성을 억제하기 위해 나노미터 단위의 탄화규소층을 코팅한 것으로 알려졌다.
대량생산이 가능한 제조공정을 통해 저렴하게 기존 공정에 적용할 수 있어 상용화 가능성이 높은 것으로 판단된다.
하지만, 면적당 용량 확보가 힘들 것이라는 의견이 제기되고 있다.
시장 관계자는 “실리콘 소재 비중을 높인 음극재를 연구하며 무게당 용량에서 면적당 단위로 기준이 바뀌었다”며 “2차전지는 각각의 소재를 적층하는 방식이어서 실리콘 비중이 높아지면 적층할 수 있는 양이 적어져 무게당 용량은 많지만 면적당 용량은 적다”고 강조했다.
이어 “Enervate가 면적당 용량을 일정 수준 이상 확보했다면 앞으로 2차전지 부피를 더욱 줄일 가능성이 높아진다”고 덧붙였다.

2차전지, 에너지밀도 높이기 주력
전해질은 실리콘 음극재에 적용할 수 있도록 개발이 진행되고 있다.
실리콘은 흑연과 반응방식에 차이가 있기 때문에 전해질 역시 실리콘에 적합한 것을 채용해야 한다는 의견이 제기됨에 따라 R&D가 지속되고 있다.
양극재는 니켈, 코발트, 망간 비율이 80대10대10인 811NCM 배터리로 대체될 것으로 예상된다.
코발트는 가격이 2017년 9월 6만달러 수준에 육박하는 등 1월에 비해 50% 이상 폭등해 비중을 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
811NCM은 원료 구성비율이 60대20대20인 622NCM보다 에너지 밀도가 높지만 폭발 가능성이 높기 때문에 안정성 확보에 주력하고 있다.
SK이노베이션은 세계 2위인 세라믹 코팅 분리막 기술로 니켈 함량을 높여 배터리의 열 및 가스 발생, 짧은 배터리 수명 문제를 해결했으며 2017년 12월부터 ESS(Energy Storage System)용으로 생산할 방침이다.
양극재의 기본소재 전환 R&D도 진행되고 있다.
시장 관계자는 “LiB(Lithium-ion Battery)는 25년간 연구한 노하우가 쌓여 있고 양극재 소재 가격이 강세를 지속할 것으로 예상돼 대체가 가속화될 것”이라고 주장했다.
도전재는 LG화학이 카본블랙(Carbon Black)에 CNT (Carbon Nano Tube)를 섞어 사용하는 방법을 연구하고 있다.
CNT를 양극 도전재로 사용하면 카본블랙에 비해 CNT가 양극재 내부 공간을 덜 차지해 양극활물질이 더 많이 채워짐으로써 에너지 밀도를 높일 수 있고, 충·방전할 때 구조 손상을 덜 받기 때문에 수명을 늘릴 수 있다.
하지만, 에너지 밀도가 3-4% 증가하는 반면 가장 낮은 그레이드도 가격이 7배 높게 형성돼 있어 채용비중이 높지 않은 것으로 나타나고 있다.<임슬기 기자>