[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] NCA 양극재 전문기업 ‘에코프로비엠’

충북도 R&D 지원 통해 ‘xEV 향 리튬이차전지용 NCA 양극소재의 국산화’제품화

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오홍지 기자
기사입력 2021-04-27 [09:19]

▲ 에코프로비엠 전경.  © 오홍지 기자

 

리튬이온 이차전지와 연관된 학맥의 역사 자체가 일본과 우리나라는 비교가 되지 않는 수준이다. ‘전지의 나라 일본’의 전기화학은 에너지 전기화학 혹은 전지 화학이라 해도 과언이 아닐 정도이며 우리나라는 분석화학 쪽으로 발전했다. 일본은 정말 다양한 전기화학 책이 있으며 리튬이온 이차전지의 기초인 ‘비수계 전기화학’이란 텍스트북이 따로 있기도 했다.                      - (IT조선)박철완의 IT정담=위기의 한국 리튬이온 이차전지 산업을 진단한다 중에서

 

[충북넷=오홍지 기자] 양극소재 사업 전문화를 위해 2016년 에코프로 자회사로 물적분할한 에코프로비엠은 하이니켈계(high-Ni) NCA 양극소재 제품을 가장 먼저 개발하고 양산화에 성공, 세계 고용량 양극소재 시장을 선도하고 있는 기업이다.

 

이 기업은 리튬 이차전지의 핵심인 양극활소재를 생산할 수 있는 NCA, CSG 등의 최신 기술을 보유했으며, 이 경쟁력을 기반으로 양극활소재와 NCA(니켈-코발트-알루미늄 계열) 소재 분야 세계시장에서 점유율 2위를 차지하고 있다.

 

리튬 이온 전지는 이차 전지의 일종이다. 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지를 말하는데, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾게 된다.

 

리튬 이온 전지는 충전과 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.

 

에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때도 자가방전이 일어나는 정도가 작아서 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다.

 

이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용해 방산업이나 자동화시스템, 항공산업 분야에서도 점점 사용 빈도가 증가하는 추세다.

 

에코프로비엠은 ▲전기차(EV) ▲에너지저장시스템(ESS) ▲무정전전원장치(UPS) ▲스마트그리드▲항공우주용 ▲의료용 ▲군사용 등 무궁무진한 리튬 이온 이차전지의 미래 성장성을 바탕으로, 국내 차세대 배터리 선두주자로 발돋움시키는 핵심 소재기업으로 성장해 나가고 있다.

 

특히, 기업의 사업 영역 중 양극활물질인 양극은 리튬 이차전지의 충전용량과 수명을 결정짓는 핵심소재로서 활용가치의 정점에 서 있다.

 

용량 한계와 가격 경쟁력을 극복한 에코프로비엠의 차세대 양극활물질은 전기차(EV), 전동공구(Power Tool), 전력저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 활용된다.

 

또 다른 영역의 전구체는 양극재를 합성하기 전 단계의 중간 제품으로, 양극재의 성능과 가격, 품질을 결정하는 중요한 물질이다.

 

에코프로비엠은 국내 유일의 전구체와 양극재 일괄 양산 라인을 통해 최고 성능의 제품을 안정적으로 공급하고 있다.

 

최근 전동공구 시장의 꾸준한 성장과 더불어 전기차(EV) 상용화에 따른 고에너지 밀도 소재 요구 증가로 하이니켈(High Nickel)계 양극 소재에 대한 시장의 관심과 수요가 급격히 늘어나고 있다.

 

이러한 상황에서 에코프로비엠은 끊임없는 연구개발을 통해 양극소재 기술 향상을 도모해 차세대 양극소재인 CSG(High-end NCM)를 상용화하는 등 글로벌 전기차 시장 공략에도 집중 투자하고 있다.

 

▲ 사진 왼쪽부터 전구체와 양극재.  © 오홍지 기자


◆ 충북도 지원사업 배경

 

2019년 일본이 한국을 상대로 수출규제에 들어가면서, 이차전지 배터리 소재 자체도 수출규제 대상에 올랐다.

 

난항에 부딪힌 에코프로비엠은 이후부터 타개 점을 모색해야 했다. 그런 와중 일본 소재부품을 취급하던 에코프로비엠의 주요 고객사에서도 기업 측에 대처 방안에 대한 대안 마련을 제시했다.

 

때마침 에코프로비엠 내부에서 이 부분에 대한 개발 계획구상을 하고 있던 와중 충북도의 `충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 지원`사업공고를 접하게 된 에코프로비엠.

 

“개발을 어떻게 해야 할 것인가 구상을 하는 상황에서 이번 수출 규제 소재부품 관련된 충북도 과제에 대한 사업공고를 접하게 됐죠. 우리 기업이 필요(기술개발)로 하고, 고객을 비롯 사회적인 요청도 있었는데, 정부에서 일본 수출규제에 대항하기 위해 적극적으로 지원하고 있었어요.”

 

내부 회의에서 충북도 과제 목표와 함께 동시 개발해 보자는 의견을 모은 에코프로비엠은 사업을 신청, 충북도 지원사업에 선정돼 과제 수행을 하게 되면서 혁신의 아이콘으로 떠올랐다.

 

◆ 자체 기술개발 및 성과

 

기술개발 전(양극재) 에코프로비엠의 고객사에서는 일본산 소재부품을 수입해 phv형 자동차에 적용해 사용하던 게 일반적인 현실이었다.

 

그러다 에코프로비엠은 수출규제에다 갖가지 요건에 따라 일본소재 부품을 분석해본 결과, 기존에 가지고 있던 소재보다 특성들이 뛰어난 부분과 수정해야 할 부분들이 있다고 판단했다. 특히, 고객사의 요청도 있던 상황에 자체 기술개발은 시급했다.

 

그러나 기업은 활물질을 만들기에 앞서, 전구체(리튬이 들어가지 않은 상태) 합성 기술 개발을 먼저 해야 했다.

 

이 전구체는 리튬이 들어가지 않은 상태에 녹색 전구체인데, 활물질의 최종 원료가 되는 물질이다. 양극소재 제조원가의 70% 이상을 차지하는 핵심소재이기도 하다.

 

에코프로비엠은 입도제어, 금속조성조절, 미분분리, 금속이물관리 등 고밀도 전구체 제조를 위해 다양한 전구체 합성 기술 개발에 나선 결과, 전구체에 리튬을 집어넣어 높은 온도에서 수송해 양극소재(양극활물질)를 개발했다.

 

에코프로비엠은 전구체부터 양극소재까지 전 공정 합성 기술을 보유하면서, 하이니켈(High Nikel)계 초고용량 양극소재를 주력으로 기술을 개발했다.

 

양극소재(양극활물질)는 전지의 전압, 에너지 밀도, 수명, 출력 등을 결정하는 핵심 소재이다. 이차전지를 사용하는 용도에 따라 요구하는 성능을 만족하게 하기 위해 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 등을 적절하게 조합하는 것이 무엇보다 중요하다는 점.

 

▲ 리튬이 들어간 상태의 최종 양극활물질(양극재).  © 오홍지 기자

 

▲ 리튬이 들어갈지 않은 상태의 녹색 전구체.  © 오홍지 기자


양극재가 우수한 특성을 갖추기 위해서는 분말 입자의 크기가 작고 균일해야 하는데, 전구체의 성능도 매우 중요하기 때문에 에코프로비엠은 전구체-양극소재 일괄 생산체제를 갖춘 경쟁력을 보유했다고 할 수 있다.

 

심지어 고용량 양극소재의 안정성과 고출력 등 고성능 특성 확보를 통해 전동공구, 전기차(xEV) 등 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있는 요소 기술을 개발하고 있다. 고품질 제품을 위한 양산 공정 설계 기술 개발을 통해 품질 오차를 최소화에 힘썼다.

 

“우리 기업은 고객사가 요구하는 목표에 대한 정량을 명확하게 세웠고, 이것을 달성하기 위해 전구체라는 부분을 합성할 때 합성하는 부분과 활물질로 갈 때 적절한 열처리 온도에 대한 최적화, 도펀트(전기 전도도를 변화시키기 위해 반도체에서 의도적으로 첨가시키는 불순물)라고 하는 특별한 전이 금속 원소라는 기술들을 적용해 고객이 원하는 목표를 전원 모두 달성했습니다. 외부 인증 평가를 받고, 객관적으로 평가를 받고, 모두 인정받았습니다.”

 

이러한 가운데, 코로나19 시국 상황에서도 에코프로비엠은 지난해 잠정 영업이익 545억 원으로, 전년 대비 47% 증가했다. 같은 기간 매출액은 8547억 원으로 38.7% 증가했으며, 당기순이익도 427억 원으로 23.8% 늘었다.

 

더군다나 청주 오창이 ‘이차전지 소재·부품·장비(소부장) 특화단지’로 지정되면서, 에코프로비엠이 충북에서 유일하게 산업통상자원부의 ‘소부장 으뜸 기업’에 선정되기도 했다.

 

전기·전자분야에서 ‘리튬이차전지용 초고용량, 장수명 하이니켈계 양극소재 제조기술’에 선정됐다.

 

무엇보다 자체 기술개발 제품화 표본을 에코프로비엠 고객사에 전달한 지 1년 6개월가량이 지났다. 이 평가 기간 동안 고객사에서 일본소재 부품을 대체할 수 있다는 내부 승인까지 났다. 현재는 추가 생산량에 대한 합의를 하는 상황.

 

“긍정적인 반응이죠. 양산화에 대한 인증을 받은 것이죠. 대신 구체적인 매출로 아직 이어지기는 전입니다. 보통 자동차용 소재는 개발 기간만 3~5년 정도 걸립니다. 자동차 소재는 적어도 5년 정도 잡아야 하는데, 저희는 개발 기간만 1년입니다. 아주 짧았어요. 고객 평가 기간은 물론, 1년 6개월 정도 길었습니다만, 그래도 3년 정도 안에 구체적으로 내부 승인을 받고, 양산까지 할 수 있는 단계까지 간 것은 굉장히 빨리 되는 사례라고 할 수 있습니다.”

 

▲ 사진 왼쪽부터 에코프로비엠 양아름 대리, 서준원 개발담당 전무가 자체 기술 제품화를 설명하고 있다.  © 오홍지 기자


◆ 기업의 애로 및 기대

 

결국은 자체 기술개발의 플랫폼이 문제다. 고객사는 대형, 중·대형 셀에 넣어 수명 평가까지 해야 소재부품 승인이 나는 것인데, 승인까지의 시간이 너무 오래 걸린다는 단점이다.

 

그러나 소재부품 업체는 파우더를 만들었으나, 셀을 제작할만한 장비 또한 없다는 문제도 있고, 그런 평가할 만한 공인 기관, 중·대형 셀을 평가할만한 기관들이 거의 없다는 게 현실적인 아쉬움이다.

 

“충북도에서 50 Ah급 중·대형 셀을 평가할 수 있는 신규사업을 지금 구상하고 있는데, 전국에 몇 개 기관에서 경합하고 있습니다. 최근 충북도가 이차전지 관련된 주요 단지로 지정됐기 때문에 전지 관련 기업들이 앞으로 많은 도움이 될 거로 생각됩니다.”

 

이와 관련, 최근 충북도는 산업통상자원부에서 주관한 `이차전지 소재부품시험평가센터 구축` 공모 사업에 선정됐다.

 

이 센터는 오는 2023년까지 총 304억5000만 원이 투입되며, 청주 오창에 있는 이차전지 소재·부품·장비 특화단지 내 5000㎡ 부지에 지상 2층 규모로 건립된다.

 

이 센터에는 전극제조장비 등 5종 43대의 시험평가 장비가 구축되며, 센터 건립을 위한 컨소시엄에는 이차전지 대표기업인 LG 에너지솔루션이 참여한다. 준비 단계부터 제조 장비 사양 등에 대한 컨설팅이 지원된다.

 

센터가 건립되면 중소·중견기업에서 이차전지 핵심 소재와 주요 부품에 대해 분석을 할 수 있다. 실제 전기차에 사용되는 수준의 중대형 배터리 셀을 제작해 성능 평가가 이뤄질 전망이다.

 

셀 제조설비와 시험평가 장비 등을 활용한 실습 플랫폼을 운영하는 등 이차전지 전문인력 양성도 지원될 것으로 보인다.

 

“우리 기업의 제품을 넣어 고객사에서도 인정할 수 있을 만한 중대형 셀을 평가할 수 있는 공인 기관이 생겼으면 좋겠어요. 그럼 대한민국의 소재부품 경쟁력에서 한 단계 더 업그레이드될 거로 생각합니다.”

 

본 기사는 충북도 신성장사업국 산업육성과에서 지원한 충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 수행과제 중 우수기업 탐방 기사입니다. <편집자 주>
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