[배터리완전정복](22)"당장 중국外 대안이 없다"…비상걸린 흑연, 자립 가능할까

편집자주 - 지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업 정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

현대차그룹은 지난달 18일(현지시간) 미국 정부에 "특정 핵심 광물에 해외우려기관(FEOC) 기준을 바로 적용하는 게 비현실적"이라는 내용의 의견서를 전달했다. LG에너지솔루션·SK온·삼성SDI 등 배터리 3사 및 한국배터리산업협회도 비슷한 취지의 의견서를 냈다.

현대차가 밝힌 '특정 광물'은 바로 흑연이다. 현대차는 "중국이 2022년 전 세계 구형(spherical) 흑연의 100%와 합성 흑연의 69%를 정제·생산했다"면서 “다른 국가들이 단기에 중국을 대체하지 못할 가능성이 크다”고 지적했다. 그러면서 한시적으로 원산지와 무관하게 배터리와 배터리 부품 제조에 사용할 수 있는 핵심 광물의 명단을 도입하고 이 명단에 흑연도 포함해달라고 제안했다.

미국 정부의 인플레이션감축법(IRA) 전기차 보조금을 받으려면 배터리 부품은 올해부터, 배터리에 들어가는 핵심 광물은 2025년부터 FEOC에서 조달하면 안 된다. 미국 정부는 작년 12월 1일 FEOC를 사실상 중국에 있는 모든 기업으로 규정했다. 흑연 등 핵심 광물을 중국 이외의 국가에서 조달하지 않으면 내년부터는 미국에서 보조금을 받을 수 없는 상황에 부닥친 것이다.

현대차와 국내 배터리 업계가 유독 흑연을 꼭 집어서 거론한 것은 그만큼 중국 의존도가 높기 때문이다. 한국무역협회에 따르면 우리나라의 중국 천연 흑연 수입 의존도(2023년 1~9월 기준)는 97.7%, 인조 흑연 수입 의존도는 94.3%에 달한다.

흑연

흑연은 에너지 용량이 크고 안정성이 우수해 전기자동차용 배터리 음극 소재로 가장 널리 사용되는 광물이다. 원가 기준으로는 리튬이온배터리의 약 15%의 비중을 차지하지만 함유량을 기준으로 하면 단일 광물로는 가장 크다. 리튬이온 배터리의 20~30%가 흑연으로 구성돼 있다.

전기차 한 대에 평균 50~100kg의 흑연이 들어가는데 이는 리튬의 약 두배에 해당한다. 국제에너지기구(IEA)에 의하면 에너지 저장을 위해 필요한 광물 전체 수요를 100이라고 할 때 이중 흑연이 차지하는 비중은 무려 53.3%에 달한다.

흑연을 대체할 음극 소재 물질로 실리콘, 리튬금속 등이 개발중이지만 극히 일부만 사용되거나 아직 상용화되지 못했다. 실리콘의 경우도 5~10% 정도만 음극에 쓰이고 나머지는 역시 흑연이 사용된다. 앞으로 상당 기간 흑연은 리튬이온배터리에서 중요 핵심 광물로 남아있을 가능성이 크다.

중국은 2023년 12월부터 흑연 수출 통제에 들어갔다. 다행히 한국에 대해서는 수출을 허가해주고 있다. 전기차 수요가 줄면서 중국 내 재고가 많아졌기 때문이라는 분석이다. 하지만 상황이 바뀌면 중국은 언제든지 한국 기업의 목줄을 죌 수 있다. 흑연의 안정적인 공급망 확보가 한국 리튬이온 배터리 산업의 핵심 과제라 할 수 있다.

천연흑연 vs 인조흑연 무엇이 좋은가

흑연은 탄소로 구성된 물질이다. 흑연과 다이아몬드는 탄소라는 한가지 원소로 이루어져 있지만 성질이 서로 다른 동소체((同素體)다. 흑연의 주 쓰임새는 연필심이었다. 흑연의 영어 이름인 그라파이트(graphite)도 '(글 등을)쓰다'라는 가진 그리스어 'graphein’에서 유래했다. 흑연은 불에 타지 않기 때문에 산업계에서는 철강 제품을 만들 때 내화물로도 많이 쓰인다.

흑연은 과거 주위에서 흔한 재료였지만 리튬이온 배터리의 음극 소재로 쓰이며 이제는 세계 각국에서 '핵심 광물'로 귀한 대접을 받고 있다.

음극 소재는 리튬이온 배터리의 충전 시간 및 수명과 연관이 깊다. 충전은 리튬이온을 음극에 저장하는 과정이다. 충·방전을 거듭하면 스웰링(swelling·부풀어 오름)이나 덴드라이트(dendtrite·나뭇가지 모양의 리튬 결정체) 등의 현상이 나타나면서 더이상 배터리를 쓸 수 없게 된다.

흑연은 탄소 원자 6개가 육각형 모양으로 연속적으로 결합한 판형 구조를 띠고 있다. 이 판과 판이 겹겹이 쌓여 있어 이 사이로 리튬이온을 안정적으로 저장했다 방출할 수 있다. 흑연이 리튬이온 배터리의 음극 소재로 널리 쓰이는 이유다.

흑연은 크게 천연 흑연과 인조 흑연으로 구분된다. 천연 흑연은 우선 자연 상태의 흑연을 채굴한 후 선광작업을 통해 불순물을 제거한다. 다시 세척, 탈수, 건조, 탈철 등의 과정을 거쳐 동글동글한 구형 흑연을 만든다. 구형 흑연에 표면 코팅과 고온 소성을 통해 고순도 흑연을 만든다.

천연 흑연 및 인조흑연 음극재 제조 과정. 이미지출처=한국산업은행

인조흑연은 석탄이나 석유의 부산물인 콜타르(coal tar)를 주원료로 한다. 콜타르를 코킹(coking·산소가 없는 상태에서 가열해 휘발성 물질을 제거하는 공정)해 탄소로 이루어진 침상 코크스(needle cokes)를 제조한다. 침상 코크스를 분쇄한 후 약 3000도의 고온에서 열처리하면 인조 흑연이 만들어진다. 이후 표면 코팅 등의 과정을 거쳐 인조흑연 음극재가 된다.

천연흑연은 가공 과정이 간단하기 때문에 저렴하고 흑연화도가 높아 에너지 용량이 크다는 장점이 있다. 반면 스웰링 현상이 인조 흑연에 비해 자주 일어나 수명이 짧다. 인조 흑연은 표면이 둥글고 매끄러워 다양한 경로에서 리튬이온이 드나들 수 있다. 출력과 수명, 안정성에서 강점을 지닌다. 다만 보다 공정이 복잡하고 고온의 열처리 공정이 필요해 천연 흑연에 비해 가격이 비싸다.

천연흑연과 인조흑연은 상호 보완 관계에 있기 때문에 산업계에서는 전기차의 특성과 용도에 따라 천연 흑연과 인조 흑연을 적절 비율로 혼합해 사용한다.

전반적으로는 인조 흑연의 비중이 점점 높아지는 추세다. 시장조사업체 ICC컨설팅에 따르면 중국 음극재 생산량에서 인조흑연이 차지하는 비중은 2018년 70%에서 2022년 81%로 늘었다. 천연흑연의 생산량은 같은 기간 26%에서 18%로 감소했다.

중국이 지배하는 흑연 산업

전세계적으로 흑연은 약 3억3000만 톤이 매장돼 있는 것으로 추정된다. 이중 가장 높은 매장량을 자랑하는 국가는 터키로 전체의 27%다. 이어 브라질이 22%로 2위, 중국이 16%로 3위를 차지하고 있다.

하지만 생산량을 놓고 보면 중국이 2022년 기준 65%를 차지하며 압도적인 우위를 보인다. 2위 모잠비크(13%), 3위 마다가스카르(8%), 4위 브라질(7%) 등 다른 국가들과 큰 차이를 보인다.

이미지제공=한국산업은행

중국 정부가 전기차 등 신에너지차(친황경차) 보급을 확대하면서 자국 내 흑연 생산을 확대한 결과다. 중국은 자국에서 생산한 흑연뿐 아니라 모잠비크, 마다가스카르 등 아프리카 국가에서도 흑연 광석을 수입해 구형 흑연으로 가공해 다시 전세계에 수출한다. 정·제련 기준으로 2022년 중국은 전 세계 흑연의 91%를 공급하고 있다.

한국 배터리 기업들은 오래전부터 값이 저렴한 중국산 흑연을 많이 사용했다. 흑연의 대중국 의존도는 천연 흑연, 인조흑연을 가리지 않는다. 2023년 1월~9월 기준 대중국 수입 의존도는 천연흑연이 97.7%, 인조흑연이 94.3%에 달한다.

이 수치는 감소하지 않고 오히려 증가 추세다. 2020년 천연흑연의 대중국 수입의존도는 90.7%였다. 3년 사이 7.0%포인트(p) 증가한 것이다. 인조흑연의 대중국 수입 의존도 역시 같은 기간 10.2%p 늘었다. 중국으로부터 흑연을 들여오지 못하면 국내 배터리 산업이 마비될 정도다.

기업별로 보면 2022년 기준 전 세계 음극재 시장 10위권 내에서 9곳이 중국을 차지할 정도로 막강한 지배력을 행사하고 있다.

시장조사업체 ICC컨설팅에 따르면 1위는 BTR(23.6%)이며 2위 상하이샨샨(13.2%), 3위 장시즈천과기(9.8%), 4위 후난중커싱청(8.7%), 5위 광둥카이진(8.4%)으로 나타났다. BTR, 샨샨 등은 국내 배터리 3사에도 흑연을 공급하고 있다. 국내기업으로는 유일하게 포스코퓨처엠이 점유율 2.3%로 공동 9위에 이름을 올렸다.

IRA 비상걸린 전기차 기업들, 흑연확보 나서

전세계 전기차, 배터리 기업들은 글로벌 공급망 이슈가 불거지며 중국에 대한 지나친 흑연 의존도를 낮추기 위해 노력하고 있다. 특히 2022년 8월 인플레이션감축법(IRA)이 발표된 이후 흑연의 공급망 다각화는 시급한 과제가 됐다.

IRA에 따르면 배터리 양극 및 음극활 물질 등 핵심 광물의 일정 비율 이상이 미국 또는 미국과 자유무역협정(FTA) 체결국에서 채굴 또는 가공됐거나, 북미에서 재활용된 것이어야만 전기차 보조금을 받을 수 있다.

이 비율은 2024년 50%에서 2025년 60%, 2026년 70%, 2027년 이후에는 80%까지 올라간다. 또 2025년부터 핵심 광물이 해외우려기관(FEOC)에서 공급되는 경우 보조금을 받을 수 없다.

비상이 걸린 글로벌 전기차 기업들은 자체적으로 흑연 확보에 나서고 있다. 수요를 확인한 글로벌 광산 기업들도 앞다퉈 흑연 채굴에 뛰어들고 있다.

캐나다의 광산 기업인 넥스트소스머티어리얼즈(Nextsource Materials)는 지난해 2월 아프리카 마다가스카르 몰로에 흑연 광산을 건설했다. 연간 채굴 규모는 1만7000톤 가량이다. 2026년부터는 연간 생산량이 15만톤 이상으로 늘어난다. 이 회사는 아프리카 모리셔스에 연간 3600톤 규모의 음극재 공장도 건설한다.

넥스트소스는 독일 철강기업 티센크루프에 10년간 공급계약을 체결했다. 티센크루프는 이름을 공개하지 않은 일본 테크 기업에 흑연을 공급할 계획이라고 밝혔다. 한국의 포스코인터네셔널도 지난해 9월 넥스트소스와 몰로 광산 공동 투자를 위한 업무 협약을 체결해 흑연 공급권을 확보했다.

넥스트소스 머티어리얼즈의 마다가스카르 몰로 흑연 광산. 이미지제공=넥스트소스 머티어리얼즈.

호주 광산 기업인 탈가그룹(Talga Group)은 2024년 4월 스웨덴 당국으로부터 허가받고 스웨덴 북부 비탄지(Vittangi) 지역에서 흑연 채굴 프로젝트를 시작했다. 이 회사는 2024년부터 채굴을 시작할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 초기 생산 규모는 연간 1만9500톤이다.

유럽의 자동차 기업들은 탈가그룹과 잇달아 공급 계약을 체결했다. 탈가그룹은 스텐란티스와 메르세데스벤츠가 공동으로 지분을 보유하고 있는 배터리 기업인 오토모티브셀컴퍼니(ACC), 르노가 투자한 배터리 기업 베르코어(Verkor)에 흑연을 공급할 계획이라고 밝혔다.

호주의 시라리소스(Syrah Resources)는 모잠비크 발라마 지역에 흑연 광산을 운영하고 있다. 이 회사는 지난 2022년 생산량을 16만3000톤까지 늘렸다. 시라리소스는 미국 루이지애나에 음극 활물질 가공 공장도 짓고 있다. 이곳에서는 연간 1만1250톤을 생산할 계획이다.

테슬라는 지난 2021년 일찌감치 시라리소스와 4년간 흑연 공급계약을 체결했다. 이 계약에는 공급을 연장할 수 있는 옵션이 붙어 있다. 우리나라 LG에너지솔루션, SK온도 시라리소스와 공급계약을 체결했으나 법적 구속력이 없는 계약(non-binding deal)인 것으로 전해졌다.

삼성SDI는 시라리소스의 루이지애나 공장에서 음극 활물질을 조달하기 위한 계약을 체결했다. 양사는 검증 과정을 거친 뒤 2024년 7월10일까지 구속력있는 본계약을 체결할 계획이다.

호주 광산업체 마그니스에너지(Magnis Energy)는 아프리카 탄자니아 지역에 연간 23만6000톤 규모의 흑연 광산을 개발하고 있다. 이 회사는 뉴욕에 음극재 공장 건설도 계획하고 있다. 마그니스에너지는 테슬라와 2025년 2월부터 연간 1만7500톤의 음극활물질을 공급하는 계약을 체결했다.

레나스코리소스(Renascor Resources)는 남호주의 시비어 광산 개발을 추진하고 있다. 이 회사는 초기에 연간 2만8000톤을 생산한다는 목표다. 2025년부터 생산이 가능할 것으로 보인다. 레나스코는 한국의 포스코, 일본 미쓰비시와 공급계약을 체결했다.

한국, 흑연 자립은 언제쯤

우리나라의 경우 중국으로부터 연간 10만톤 이상의 흑연을 수입하고 있는 것으로 파악된다. 2022년 기준 천연흑연 5만3000톤, 인조흑연 4만8200톤을 중국으로부터 들여왔다. 이것을 대체해야 흑연 자립이 가능하다.

한국 기업들은 아프리카, 호주 등 천연 흑연의 공급처를 다변화하는 한편, 인조 흑연의 생산 규모를 확대하는 방향으로 공급망을 강화하고 있다.

국내 유일한 흑연계 음극재 제조사인 포스코퓨처엠은 그동안 중국으로부터 구형 흑연을 들여와 표면 코팅 등 재가공해 국내외 배터리 기업에 공급해 왔다. 이와 별도로 제철 과정에서 나온 부산물인 콜타르를 이용해 자체적으로 인조흑연을 생산하고 있다.

포스코퓨처엠에서 인조흑연을 제조하고 있다. 이미지제공=포스코퓨처엠

포스코퓨처엠은 현재 천연 흑연과 인조 흑연을 포함해 총 8만2000톤의 음극재 생산능력을 포함하고 있다. 이중 인조 흑연의 생산 규모는 연간 8000톤이다.

인조흑연은 원료부터 완제품까지 국내에서 조달이 가능하다는 점에서 흑연 자립에서 중요한 의미를 지니고 있지만 아직 생산 규모가 많지 않다. 단기간에 중국으로부터의 수입량을 대체할 만큼 생산량을 확 키우기도 어렵다.

포스코퓨처엠은 인조흑연의 생산 규모를 연내 1만8000톤까지 확대하고 2026년에는 다시 5만8000톤까지 늘린다는 계획이다. 2030년까지 15만3000톤의 생산 능력을 갖추는 것이 목표다. 천연흑연은 2026년15만 4000톤, 2030년 18만2000톤까지 생산 규모를 확대할 계획이다.

천연흑연 공급처도 다변화하고 있다. 포스코그룹 계열사인 포스코인터내셔널은 지난해 9월 넥스트소스(마다가스카르 몰로 광산)와 10년간 연간 3만톤의 인상흑연(crystalline graphite·결정성이 높은 고품위 흑연, 비늘모양을 닮았다 하여 붙여진 이름) 또는 1만5000톤의 구형흑연을 조달하는 계약을 체결했다. 포스코인터내셔널은 호주 블랙록 마이닝(탄자니아 마헨지 광산)의 증자에 참여하고 흑연 구매 권한을 6만톤까지 확대하는데 합의했다.

2건의 업무 협약을 통해 포스코인터내셔널은 향후 9만톤 이상의 인상흑연을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이 흑연은 국내 포스코퓨처엠에 공급돼 음극재로 재가공될 예정이다.

천연 흑연의 가공이나 인조흑연 제조 공정에서 폐수가 발생한다. 고온 열처리 과정에 막대한 양의 전력이 소모되기도 한다. 그동안 중국 기업이 흑연 글로벌 공급망을 장악할 수 있었던 것도 환경 오염 이슈에서 비교적 자유롭고 전기료가 싸서 저렴하게 흑연을 생산할 수 있었기 때문이다.

우리나라가 흑연 공급망을 강화하기 위해서는 이같은 정책적인 문제들도 함께 풀어야 가능하다.

KOTRA, 중국 음극재(흑연) 시장동향, 2023.5.26

한국무역협회, 중국 흑연 수출통제의 영향 및 대응방안, 2023.10.23

SNE리서치, 중국의 흑연 수출 규제 현황 및 전망 분석, 2023.10.26

KDB미래전략연구소, 글로벌 공급망(GVC) 핵심품목연구, 2023.11.20

포스코퓨처엠 뉴스룸, 흑연 없이 배터리 못 만든다. 흑연에 대한 TMI, 2023.11.13

연합뉴스, 현대차, 美정부에 "中 광물 즉각 배제 비현실적…한시 허용해야", 2024.1.22

Reuters, Graphite producers doing deals with automakers and battery groups, 2023.6. 21

Mining Technoligy, Renascor signs MoU with Mitsubishi for graphite supply, 2023.7.19

Reuters, China's graphite curbs will accelerate plans around alternatives, 2023.10.23

Mining.com, NextSource begins graphite production in Madagascar, 2023.6.22

Mining.com, Syrah Resources inks deal with Samsung SDI to assess anode material supply, 2023.8.8

강희종 기자 mindle@asiae.co.kr