[광양(전남)=비즈니스포스트] 포스코그룹의 2차전지 소재 사업이 16년에 걸쳐 수직 계열화를 이루며, 본격 성장기에 진입할 준비를 하고 있다.

지난 2010년대에는 LS엠트론 음극재 사업 인수(2010년), 양극재 사업법인 ‘포스코ESM’ 설립(2012년) 등 태동기를 보냈다면, 2020년대에 들어서는 공격적 리튬 자원 관련 투자로 원료 수급 안정성과 원가경쟁력을 강화하는 ‘담금질’의 시기를 보냈다.

포스코그룹은 전남 광양을 2차전지 소재 사업의 허브로 삼고, 리튬 정제부터 양극재 생산, 폐배터리 리사이클에 이르기까지 2차전지 소재 사업의 전체 밸류체인 클러스터를 조성했다.

지난 3일 광양 율촌산업단지에 위치한 포스코퓨처엠(양극재, 전구체 공장), 포스코필바라리튬솔루션(광석리튬 정제), 포스코HY클린메탈(폐배터리 리사이클) 등 포스코그룹의 2차전지 소재 기업들을 잇달아 방문했다.

2차전지 클러스터의 부지 면적은 53만2000㎡으로 축구장 74개가 들어갈 수 있는 크기다. 3사 사업장은 부지 중앙을 가로지르는 도로 '율촌포스코미래로'의 좌우로 늘어서 있었다. 

가장 먼저 포스코퓨처엠의 광양 공장을 찾았다. 이곳은 단일 양극재 공장 기준으로 세계 최대 규모다. 양극재 생산라인 13개를 통해 연산 9만 톤(전기차 85만 대 분)의 삼원계 양극재를 생산할 수 있다. 양극재 공장 내부로 들어서니 소성로가 뿜어내는 열기가 후끈했다. 길이 55m의 소성로에서는 전구체, 수산화리튬이 자동으로 혼합되고, 도가니(Saggar)에 일정량이 투입된 뒤, 고온을 가하는 작업이 이뤄진다.

전구체-리튬 혼합물이 열에 노출돼 결정구조를 어떻게 형성하느냐에 따라 배터리의 용량, 수명, 안정성 등이 결정되는 만큼, 소성이 양극재 제조 과정에서 가장 중요한 공정이라고 할 수 있다.

이날 안내를 맡은 정재용 포스코퓨처엠 1공장장은 “도가니 이송, 원료 투입 속도, 원료의 정량 투입 여부 등이 공장의 생산능력과 제품의 원가구조를 결정한다”며 “이러한 작업 대부분은 이미 자동화했다”고 설명했다.

소성을 거친 양극활물질은 표면에 남은 잔류 리튬을 씻어내는 ‘수세’, 양극재와 전해액 간 화학반응을 차단하기 위한 ‘코팅(2차 소성)’ 과정을 거쳐 최종 양극재로 완성된다.

완성된 양극재는 소량의 샘플이 채취된 뒤 공장 상층부 품질분석실에서 △잔류 리튬 여부 △입자 사이즈 △패킹 여부 등의 품질 검수를 받는다. 양극재 샘플이 담긴 유리병은 공장 내 설치된 1km 길이의 ‘에어슈팅’ 파이프를 통해 초당 5m 속도로 품질분석실에 자동 운송된다.

정 공장장은 “엑스레이 설비에선 샘플에 방사선을 쪼여 결정구조가 제대로 형성됐는지 검사하고 있다”며 “불순물은 검사 장비를 통해 ppm(전체 분자 100만 개당 불순물 분자의 개수) 단위로 관리된다”고 설명했다. 양극재 공장에서 약 200m 떨어진 포스코필바라리튬솔루션(포스코필바라)으로 이동했다. 이 회사는 포스코홀딩스와 호주 리튬 채굴기업 ‘필바라미네랄스’가 82대 18의 비율로 2021년에 합작 설립한 수산화리튬 제조사다.

필바라미네랄스로부터 공급받은 스포듀민(리튬을 함유한 광석의 일종)을 하소(가열)→배소(혼합)→침출→정제→수산화리튬 전환→결정화를 거쳐 수산화리튬으로 가공한 뒤, 포스코퓨처엠을 비롯한 양극재 제조사에 납품한다.

포스코필바라는 1공장(2023년 준공, 연산 2만 1500톤)과 2공장(2024년 준공, 연산 2만 1500톤)을 운용하고 있다. 수산화리튬 전환 공정과 관련해 1공장에서는 전기투석막을 이용한 '전기화학법', 2공장은 수산화나트륨을 첨가하는 가성화법 등 서로 다른 공법을 적용하고 있다.

전기화학법은 최종 부산물인 황산을 다시 중간 공정에 투입할 수 있어 친환경적이지만 전기료 부담이 발생한다. 가성화법은 부산물로 가루비누의 원료인 황산나트륨(망초)이 발생해 부대 수입을 노릴 수 있지만, 원재료인 수산화나트륨의 조달이 원활해야 한다.

포스코그룹은 향후 시장 상황과 해외 리튬 가공 공장을 설립할 현지 국가 여건에 맞춰 최적의 공법을 적용하기 위해 두 가지 공법의 공장을 계속 유지한다는 계획이다. 

손홍록 포스코필바라리튬솔루션 부장은 “환경 규제가 강하지만 전기를 저렴하게 조달할 수 있는 국가, 예를 들어 수력발전 단지가 많아 전기료가 저렴한 캐나다에서는 전기화학법 공정을 고려할 수 있다”며 “인도, 중국 등 가루비누(황산나트륨으로 제조) 시장이 여전히 큰 국가나 염산 제조 설비 인근에선 수산화나트륨 조달이 용이해 가성화법을 적용할 수 있다”고 설명했다.

공장 부지 중앙에는 스포듀민을 보관하는 원료 창고 2개가 있다. 저장용량은 창고 1개당 1만5천 톤으로, 약 한 달간 공장을 가동할 수 있는 분량이다. 호주에서부터 해상 운송된 스포듀민은 트럭을 통해 원료 창고로 입고된 뒤, 리클라이머라는 설비를 통해 자동으로 운반되고 있었다. 포스코필바라솔루션 공장에서 율촌포스코미래로를 가로질러 포스코HY클린메탈로 이동했다. 이곳에서는 배터리 제조 공정에서 발생한 스크랩, 전기차 폐배터리 등을 재활용해 양극재 원료인 니켈·코발트·리튬·망간 등을 추출하고 있다.

회사는 지난 2023년 7월 율촌산업단지에 연간 1만2천 톤의 블랙메스(폐배터리를 가루 형태로 분쇄한 것)를 재처리할 수 있는 공장을 가동했다. 연간 생산능력은 탄산리튬 2500톤, 황산니켈 1만2천 톤, 황산코발트 3800톤, 황산망간 2000톤 등으로, 이는 전기차 약 6만 대 제조 분량이다.

송규형 포스코HY클린메탈 공장장은 “광석이나 염호에서 채굴돼 공급되는 배터리 원료 금속의 양이 계속 늘어나는 데 한계가 있다”며 “반면 리사이클의 경우 이미 시장에 풀려 있다 회수되는 배터리 원료 금속의 양이 누적으로 늘어나기 때문에 특정 시점 이후부터는 리사이클로 조달하는 원료 비중이 대부분을 차지할 것”이라고 말했다.

리사이클 공정은 크게 침출(불순물 제거)→추출(망간, 코발트, 니켈 추출)→결정화(건조)→탄산리튬 공정 등 4단계로 분류되는데, 세부적으로는 단위공정만 44개에 이르는 등 기술적으로 난이도가 높다.

침출 공장 내부에서는 블랙메스를 황산에 녹이는 탱크와 음극재(흑연)를 걸러내는 필터프레스 설비로 빼곡했다. 필터프레스에서 여과까지 마친 검은 빛의 황산용액은 고온·고압의 산소로 2차 침출을 하는 ‘오토클레이브’ 설비로 이동해 추가로 불순물을 걸러내 순도를 더 높인다.

침출 과정을 마친 황산용액은 추출제와 혼합·금속별 분리가 이뤄지는 대형 철제용기 ‘믹서-세틀러’에서 구리, 망간, 코발트, 니켈 순서로 분리된다. 이후 추출된 금속을 결정화·분쇄하면 가루 형태로 상품화가 완료되는데, 결정화 과정에서 필요한 열은 ‘기계적 증기 재압축 설비(MVR)’를 통해 일부 조달하고 있다.

송규형 공장장은 “특히 블랙메스를 고온, 고압의 가혹한 환경에서 침출하는 과정이 리사이클의 수익성을 결정짓는다”며 “최근 배터리 성능 향상을 위해 다양한 첨가제가 들어가는데, 리사이클링 업체에서는 경험해보지 못한 불순물들로 이를 침출시키는 것이 일종의 도전 과제”라고 말했다. 신재희 기자