[르포] ‘국산' LFP 양극재 첫 양산 목전…엘앤에프 파일럿 라인 가보니

배터리 소재인 양극재 입자 크기는 에너지 밀도를 좌우한다. 입자가 작을수록 같은 부피 내에 더 많은 양극재를 담을 수 있어서다. 화학 특성상 삼원계보다 에너지 밀도가 낮은 리튬인산철(LFP)은 이 입자 크기를 미세화하는 것이 품질의 관건이다.

최근 방문한 엘앤에프 구지 3공장 내 LFP 양극재 파일럿 라인에서 양극재 입자 크기를 제어하는 분쇄 설비가 눈에 띄었다. 원료 파우더와 탈이온수를 혼합한 용액을 이 설비에 투입하면, 입자들이 분쇄되면서 크기가 줄어든다.

일반적으로 삼원계 배터리용 양극재 입자가 4~5마이크로미터인 데 비해, LFP 양극재는 1, 2차 분쇄 작업을 거쳐 0.3~0.5마이크로미터 수준까지 입자 크기를 줄이게 된다. LFP 배터리는 안정성이 중시되는 에너지저장장치(ESS)에 주로 쓰이지만, 2.6g/㎤ 이상의 에너지 밀도를 달성한 제품은 전기차 배터리용으로도 활발히 납품되는 추세다.

엘앤에프 구지3공장 LFP 파일럿 라인 내 혼합 탱크 및 습식 분쇄 설비

엘앤에프는 국내 양극재 기업 중 선제적으로 LFP 시장 진입을 확정짓고 파일럿 라인을 구축했다. 이를 통해 2.6g/㎤ 수준의 제품 개발을 마쳤고, 업계 최고 수준인 2.7g/㎤ 제품 개발도 진행 중이다.

전기차뿐 아니라 최근 배터리 수요 증가를 이끄는 ESS 시장까지 LFP가 주류 제품으로 자리잡을 것이라고 일찍이 예측한 데 따른 것이다. 중국 외 LFP 양극재를 양산 중인 곳이 없는 만큼, 탈중국 공급망 수요도 기대한다.

장성균 엘앤에프 최고제품책임자(CPO)는 “2022년쯤부터 배터리 업황이 조금씩 어려워지던 시점부터 LFP 생산을 준비해 왔다”며 “초반엔 학계를 샅샅이 뒤져도 전문 인력이 없어 어려움을 겪었지만, 2023~2024년쯤에는 고객들로부터 중국과 동등하거나 그 이상의 품질임을 인정받았다”고 했다. 엘앤에프가 LFP 양극재 파일럿 공정 구축을 마친 것도 이맘때다.

엘앤에프의 전망은 적중했다. 시장 흐름과 더불어 미국이 인플레이션감축법(IRA)을 개정하며 중국산 배터리 소재 사용을 더욱 옥죄자 '탈중국 LFP'는 수요의 주축으로 올라섰다. 장성균 CPO는 "ESS 쪽 수요가 굉장히 빠르게 올라오고 있고, 보급형 전기차용으로도 문의를 받고 있다"고 밝혔다.

엘앤에프는 최대한 시장에 빨리 진입하는 것을 우선시한 만큼, LFP 배터리에 있어선 선도국인 중국의 생산 설비를 대부분 그대로 채택했다. 하지만 일부 공법에선 자체 개발한 기술들도 반영했다.

일정한 입자 크기로 분쇄된 용액을 가루로 건조해주는 분무 건조 설비는 10m대 폭으로 설치돼 있었다. 이 설비에선 상단에 설치된 노즐에서 용액이 분사되면서 가루로 바뀌어 떨어지게 된다.

이준성 엘앤에프 팀장은 "LFP는 이온전도도가 떨어져 카본 코팅이 반드시 필요한데, 녹는점이 높지 않아 오래 가열하면 물성이 바뀌게 된다"며 "분무 건조 설비로 이 절차를 수초 만에 단축하는 것"이라고 설명했다.

일반적으로 삼원계 양극재 생산 라인에선 여러 층을 수직으로 오가는 설비들이 들어선다. 반면 엘앤에프 LFP 양극재 파일럿 라인은 단층의 넓은 공간으로 구성돼 있었는데, 이 분무 건조 설비가 상당한 비중을 차지했다. 양산 라인에선 생산능력(CAPA)이 늘어남에 따라 분무 건조 설비 규모도 3~4배 이상 확대될 예정이다.

소성 과정에서의 특징은 내부 산소 농도를 최저 수준으로 낮춰야 한다는 점이다. 산소 농도가 높아야 하는 삼원계 양극재와 달리, LFP는 주 원소인 철과 산소의 반응을 차단해야 해서다. 때문에 외부 공기를 잘 차단하는 소성로가 요구된다. 소성 후에는 탈철기 등 후처리를 거쳐 불순물 성격의 철만 제거한다.

이준성 팀장은 "셀 제조사 등 고객사들은 수분을 굉장히 낮게 관리해달라고 요구하고 있어 이를 위한 별도 공간을 마련해 운영하고 있다"며 "삼원계 양극재와 LFP 양극재 생산 현장에서 근무하는 인력도 철저히 별도 관리하기 위해 복장 색깔도 달리 두고 있다"고 첨언했다.

지난달부터 엘앤에프는 LFP 양극재 대규모 양산을 위한 공장 설립에 본격 돌입, 총 3천382억원을 투자한다. 내년 1분기 말에서 2분기 초 준공을 목표로 하며, 초기 연간 CAPA는 연간 3만톤, 향후 최대 6만톤을 갖출 것으로 예상한다. 고객사들의 문의가 많은 만큼 양산 일정도 유연하게 앞당길 수 있다는 입장이다.