음극재의 선두주자가 될 수 있을 것인가?

음극재의 선두주자가 될 수 있을 것인가?

17기 변은지

 

전기자동차의 발전

전기자동차가 등장하면서 이차전지의 시장은 대규모로 성장 중이다. 배터리의 원가는 저렴해지고 있으며, 1회 충전 주행거리는 2010년 200km에서 2019년 570km로 늘었다. 국내 3사 (LG화학, SK이노베이션, 삼성SDI)는 전기자동차 시장의 선점을 위해서 중국(이상 아시아), 폴란드, 헝가리(이상 유럽), 미국 등에 공장을 신설하고 투자를 진행 중이다. 주로 자동차 산업과 배터리 산업 간의 개방과 협업을 통해 확장을 하며, 완성차 업체 전기자동차 주행 정보를 공유하여 글로벌 생산 네트워크를 구축함으로써 세계 시장 점유율을 확보해야 한다.

 

 

[자료 1. 1세대 ~ 3세대 전기자동차의 발전]

출처 : 렛유인

 

음극재란 ?

이차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재로 음극활물질이라고도 말한다. 현재 리튬이차전지용 음극재로는 대부분 흑연(Graphite)이 사용되고 있다. 흑연은 크게 천연흑연과 인조흑연으로 구분된다. 천연흑연은 흑연광산에서 흑연이 5~15% 정도로 함유된 채로 산출된다. 리튬이차전지용 음극재로 흑연이 사용되려면 순도가 최소 99.5% 이상의 전지 그레이드는 되어야 한다. 이렇게 순도를 높이려면 캐낸 천연 흑연광을 선광, 화학 처리 등을 거쳐 불순물을 제거하는 공정을 거치게 된다. 이것을 구상화로 가공하고, 피치 코팅을 하기도 한다. 반면에 인조흑연은 출발 물질이 천연 광물이 아닌 석유, 콜타르, 코크스 같은 탄소 전구체를 이용하여 2800℃ 이상의 고온으로 가열하여 생성된 흑연이다. 흑연 이외의 음극재로는 소프트카본과 하드카본이 있는데 탄소로 구성된 코크스를 비교적 저온인 1000~1200℃로 열처리하여 제조한다. 이 중에서 하드카본은 우수한 출력 특성으로 인해 전기자동차용 음극재로의 중요성이 커지고 있는 중이다. 하지만 전기자동차의 짧은 주행거리 문제를 해결하려면 배터리 용량이 크게 개선돼야 한다. 흑연 계열 음극재는 이론 용량 한계가 약 350mAh/g 내외라는 한계가 있다.

 

 

[자료 2. 이차전지 음극활물질 시장 수요]

출처 : SNE리서치

 

실리콘계 음극재 ?

차세대 리튬이차전지 음극 소재로 실리콘 음극재가 전기자동차 주행거리 확대의 영향으로 수요가 급성장할 것이라는 전망이 나왔다. 기존의 흑연 음극재의 한계를 실리콘 계열 물질로 대체하면 2000~3000mAh/g까지 끌어올릴 수 있어 음극의 용량을 기존보다 3~4 배 정도 증가시킬 수 있기 때문이다.

하지만 실리콘의 낮은 전기 전도도와 전해질 부반응, 실리콘 부피 변화에 따른 음극의 두께 증가 현상에 의해 배터리 수명을 단축시키는 것이 가장 큰 과제이다.

이에 실리콘, 탄소 계열 복합소재를 개발하는 것이 해법으로 제시되었으며, 높은 전기전도성과 우수한 기계적 강도를 가진 실리콘-그래핀 복합재 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 그래핀이 실리콘 표면에 코팅된 코어-쉘 형태의 소재인 경우 전도도 향상, 실리콘 파쇄/소결 저감, 전해질 부반응 억제 효과를 극대화할 수 있어 실리콘 소재 기반 리튬이온 배터리의 수명 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

 

 

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참고문헌

[전기자동차의 발전]

1) 렛유인 https://www.letuin.com/?utm_campaign=on_index_200407&utm_source=naver&utm_medium=brand

 

[음극재란?]

1) SNE 리서치, "<2020>리튬이온 2차전지 음극재 기술동향 및 시장전망 (~2030)", 204쪽, 2020.02.12, http://www.sneresearch.com/_new/html/sub/sub1/sub1_01_view.php?mode=show&id=988&sub_cat=2