리튬이온 배터리를 구성하는 음극재는 양극재에 이어 두 번째로 중요합니다. 양극재 56%, 음극재 16%, 분리막 15%, 전해질 13% 입니다. 음극재는 배터리 충방전 및 용량에 큰 역할을 합니다. 그래서 음극재의 성능에 따라 전체 배터리의 성능이 크게 변하게 됩니다. 또한, 음극재는 급속충전과 관련있어 그 중요성이 부각됩니다. 그렇다면, 현재 음극재는 어디까지 왔고, 어떻게 나아갈 것인지 알아보도록 하겠습니다.
대표적인 음극재 원료 : 천연흑연, 인조흑연
현재 음극재를 제조하는데 쓰이는 원료로 천연흑연과 인조흑연이 가장 일반적입니다. 천연흑연은 용량은 괜찮습니다. 하지만 수명이 짧습니다. 인조흑연은 수명은 깁니다. 그런데 용량이 작습니다. 이러한 차이로 자동차 배터리에서는 인조흑연을 선호하고 있습니다. 자동차 배터리는 잦은 충전을 오랜 시간 견뎌야 하기 때문입니다.
금속계는 실리콘 복합계를 의미합니다. 실리콘 복합계는 흑연 세대의 음극재 원료입니다. 인조흑연 대비 2~3배의 용량을 가지고 있습니다. 하지만 수명이 짧습니다. 그래서 이것은 현재 극복해야 할 과제로 남아있습니다.
1) 현 음극재 시장 상황(천연흑연, 인조흑연)
2020. 3. 30 포스코케미칼에서 인조흑연 음극재 생상공장 신설에 2177억원을 투자했다고 밝혔습니다. 인조흑연은 천연흑연에 비해 수요가 높아질 전망입니다. 그렇다면, 왜 천연흑연보다 인조흑연을 선호하는지 알아보겠습니다.
인조흑연 음극재는 원료와 공정 특성으로 천연흑연 제품 대비 내부 구조가 일정하고 안정적입니다. 덕분에 수명이 길고, 급속 충전에 유리합니다. 가격은 인조흑연계가 2배 더 높습니다. 그래서, 인조흑연을 꾸준히 공급하면 좋지만 배터리 원가가 높아져 어렵습니다.
음극재는 새로운 원료를 도입하려면 제조 공정과 원재료를 대전부 바꿔야 합니다. 그래서 음극재는 30년 가까이 천연음극 소재를 사용해 왔습니다. 이것은 현재 용량의 한계에 다달했습니다. 하지만, 천연흑연은 기존 공정에서 제공되는 저렴한 가격의 강점이 있어 꾸준한 수요가 예상됩니다.
인조흑연의 가격이 이렇게 높은 이유는 공정에 있습니다. 인조흑연은 2500도씨 이상의 온도에서 가열해 흑연의 고결정 구조를 얻어야 하기 때문입니다.
그렇지만 배터리 트렌드는 전기차 중심으로 변화하고 있습니다. 인조흑연은 전기차 배터리에 강점을 가져 그 수요가 더욱 늘어날 전망입니다. 인조흑연 시장 규모는 2019년 대비 2025년에는 7배 이상 커질 것으로 예상됩니다.
2015년 음극재 시장 점유율 자료입니다. 음극재 시장은 내수시장과 광산을 기반으로 값싼 천연흑연을 공급하는 중국과 인조흑연 기술력으로 대응하는 일본이 대부분의 시장을 점유하고 있습니다. 현재 상황은 국내 배터리 3사의 약진으로 포스코케미칼이 이득을 보고 있습니다. 또한 인조흑연 투자로 생산능력을 끌어올리고 있습니다. 이러한 이유로 점유율을 끌어올리는
중입니다. 하지만 아직 부족한 면이 있습니다.
2) 음극재 시장 전망(실리콘 음극재)
실리콘은 흑연보다 10배 이상의 에너지 용량을 가지고 있습니다. 이 용량을 높이기 위해 무기물계 활물질인 실리콘 게르마늄 주석 Sb가 연구되고 있습니다. 그중 Si계 음극활물질이 주목받고 있습니다. 실리콘을 사용하기 위해, 실리콘 입자를 나노 사이즈로 만들어야 합니다. 이것은 기술적 수준과 비용의 문제가 있습니다.
Si계 음극재 제품은 에너지당 17~24달러로 기존 흑연에 비해 2배 이상입니다. 그래서 현재 실리콘을 사용할 방법은 흑연 제품에 나노 사이즈 실리콘을 배합하는 형태입니다. 실제 실리콘 음극재 사용 현황은 LG화학이 5%, BYD와 CTAL은 10% 정도 입니다.(오차 있습니다)
실리콘 흑연은 또 극복해야 할 문제가 있습니다. 부피가 부풀어 오르는 스웰링 현상입니다. 실리콘 음극재는 충방전 시 약 400% 이상의 부피변화가 발생합니다. 음극재 업체들은 실리콘을 나노화시켜 부피 팽창을 억제하고 있습니다. 하지만, 이것은 원가가 상승하는 결과를 초래합니다. 그래서 부피변화를 억제하는 기술력이 필요한 상황입니다.
수명 단축문제 입니다. 충방전이 지속될수록 SEI Layer층(리튬 이온이 통과하는 층)의 문제로 리튬 산화 환원 반응이 원활히 이루어지지 못합니다. 이것은 충방전이 지속될수록 수명을 단축하게 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 실리콘 표면의 안정화, 새로운 전해질의 개발이 필요합니다. 최근 다양한 코팅법이 제시되고 있습니다. 앞으로의 기술적 발전 로드맵은 그려져있어, 시간이 충분하다면 해결될 문제입니다.
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정리하자면 현재까지 천연흑연을 많이 사용했습니다. 하지만 수명문제로 인조흑연을 선호하는 상황입니다. 앞으로 배터리가 발전할수록 인조흑연의 단점을 보완한 차세대 음극재, 실리콘 음극재가 상용화될 전망입니다.
하지만 실리콘 음극재를 상용화하기 위해서는 극복해야할 기술적 문제들이 많이 남아있습니다. 또한 높은 가격을 가지고 있어 가격 수준을 맞추는 것도 중요합니다. 지금의 기술은 나노 사이즈 입자를 흑연에 결합하는 방식을 취하고 있습니다.
음극재는 배터리에 용량, 급속충전을 이루는 중요한 요소입니다. 국내 기업이 음극재 기술력을 끌어올려, 중국과 일본의 점유율을 따라잡길 바랍니다.
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감사합니다.
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