2차전지- 음극재의 모든 것. 이해부터 활용까지

테마별 산업 분석 - 2차 전지(2) 음극재의 모든 것 

2차전지 음극재편 썸네일

 
전기차의 해결해야 할 핵심 과제. 답은 음극재?

지난 글에서는 배터리의 출력과 안정성에 해당하는 양극재에 대하여 조사해 봤습니다.
배터리의 심장인 양극재는 배터리의 절반을 담당하고 있을 정도로 중요하고 핵심적인 부품입니다. 
그렇지만, 양극재 하나만으로 전기차를 움직일 수 있는 배터리를 생산할 수는 없습니다. 
이를 보조해주고 성능을 끌어올려주며, 안정성에 도움이 되는 여러 소재들이 합쳐져야
비로소 하나의 온전한 배터리가 만들어지는 것입니다. 

2차전지의 핵심 구조

그것이 바로 음극재입니다. 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 향하는데,
이때 들어온 리튬이온들을 저장하고 방출하여 전류가 흐르게 하는 역할을 음극재가 하는 것입니다.
그림에서 보이는 것처럼 음극재의 리튬이온이 양극으로 이동하고, 리튬이온과 분리된 전자가
그림 위에 보이는 + - 도선을 따라 이동하며 전기 에너지가 생기는 것입니다. 
기껏 넘어온 리튬이온을 붙잡아두지 못해 다른 곳으로 가버리면,
우리가 원하는 에너지를 생산할 수 없기 때문에 음극재의 역할은 중요합니다. 
음극재는 대표적으로 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하는 요소입니다. 
배터리의 수명은 '얼마나 리튬이온의 양이 많은가'에 따라 결정되고,
배터리의 충전속도는 '음극재가 리튬이온을 얼마나 잘 받아들이는가'로 결정됩니다. 
아무리 하이니켈(앞에서 봤던 811, 9 반반) 양극재로 출력을 높였다고 해도 음극재에서
리튬이온을 전부 받아내지 못한다면 비효율적인 배터리가 되는 것입니다. 
또한, 사람들이 일반 자동차에서 전기차로 넘어가지 못하는 이유 중 하나도 충전시간에 있습니다.
충전하는데 30분 이상이나 걸리는 전기차에 불편함을 느끼는 것입니다. 
그래서 더욱 음극재의 개발을 통해 충전 시간을 단축하고자하는 기업들이 많은 것입니다.  
 

음극재의 종류를 알면 기업의 시장 경쟁력이 보인다.

현재까지 음극재에서 가장 흔히 사용되는 소재는 흑연입니다.
흑연은 순수 탄소로 이루어져 탄소원자가 다른 3개의 탄소 원자와 결합해 있는 상태입니다.
여기서 중요한 것은 탄소원자보다 육각형 모양의 판이 겹쳐있는 층상구조라는 것입니다.
각각의 층에 양극에서 온 리튬이온이 들어가 안정적으로 저장되어 음극재 소재로 흑연이
많이 쓰이고 있습니다.
이러한 흑연도 천연 흑연, 인조 흑연으로 종류가 나뉩니다. 
천연흑연의 특징으로는
- 탄소원자 6개에 리튬이온을 1개 저장할 수 있습니다. 
- 수명은 다소 낮지만, 출력은 우수하고 저렴해 가격 경쟁력이 있습니다.
- 용량이 크지만, 리튬 이온의 이동경로가 2곳 뿐이라(층 구조라 위아래) 효율이 떨어지고,
스웰링 현상이 발생할 수 있습니다.
음극재에서 이 스웰링 현상은 매우 중요한데, 배터리를 계속 사용하면 층상 구조 사이가 벌어져
부풀어 오르는 현상입니다. 이는 배터리 폭발을 발생시킬 수 있으니 반드시 고려해야하는 
음극재의 핵심과제입니다. 
이러한 단점을 보완하기 위해 만들어진 것이 인조 흑연입니다.
인조흑연의 제조 과정은 콜타르 → 침상코크스 → 인조흑연의 순입니다. 
 
콜타르를 간단히 설명하면,
철강 사업을 할때 철을 녹이려면 강력한 화력을 가진 연료탄이 필요합니다. 
이 연료탄을 가공할 때 생기는 부산물을 콜타르라고 합니다.
콜타르를 가지고 만드는 것이 침상코크스이며,
침상코크스를 3,000도 이상 열처리하면 결국 인조흑연이 만들어지는 것입니다. 
추가로, 이러한 침상코크스 생산의 조건은 철강 사업을 하여 콜타르를 가지고 있어야 합니다.
우리나라 기업 중에는 포스코 MC머티리얼즈(포스코 케미컬의 자회사)가
세계 시장 점유율 11%의 침상코크스를 생산하고 있습니다.
인조흑연의 특징으로는
- 안정적인 등방형 구조(인조흑연은 층 자체의 개수가 많음)로 스웰링 현상 가능성이 낮습니다.
- 리튬이온의 이동 경로가 다양해 충전 시간을 크게 단축시킵니다. 
- 충방전을 많이 반복해 오래 사용 가능합니다. 그래서 현재 음극재의 76%를 차지하고 있습니다.
- 수명, 출력이 모두 우수하지만 제조원가와 기술이 어려워 가격이 비쌉니다.  

천연흑연과 인조흑연의 구조적 차이

그림에 덧붙이자면, 천연 흑연은 자세히 보면 가로로 그어진 줄 밖에 없습니다.
이는 리튬이온이 양옆으로만(2가지 방향) 움직일 수 있다는 의미이고,
인조흑연은 대각선, 가로, 세로 선들이 모두 포진해 있는 것을 보아
이동경로가 다양하다는 의미입니다. 
 
추가로 알아볼 것은 저 팽창 천연흑연 음극재라고 하는 포스코케미컬의 회심작입니다. 
이것은 포스코케미컬이 독자적으로 개발한 기술로 전기차 배터리의 안정성, 수명, 고속충전
성능 강화를 위해 천연흑연의 소재 구조를 이방형에서 등방형으로 개선한 것입니다. 
인조흑연의 단점인 제조원가를 떨어뜨리고, 천연흑연의 단점인 팽창률도 25%
감소시켰다고 합니다. 
다시 말해, 천연흑연과 인조흑연의 단점을 보완하고 장점을 결합하여 만들어낸 것입니다. 
 

게임 체인저 실리콘 음극재

하지만, 흑연으로 만든 음극재는 치명적인 단점이 있습니다.
탄소원자 6개당 리튬이온을 한 개밖에 못 잡아둔다는 것입니다.
이게 왜 문제가 되냐 하면, 양극재에서 나왔던 822,9 반반과 같이 니켈의 양을 극대화하여
에너지 출력을 높인 하이니켈 양극재가 요즘 2차 전지 시장의 트렌드입니다.
이처럼 니켈의 양을 높여 에너지 출력 즉, 리튬이온의 속도와 강도가 높아지는데,
흑연이 이러한 리튬이온을 다 저장할 수 없다는 점입니다.
이를 보완하기 위해 나온 것이 4개당 리튬이온을 15개 저장할 수 있는 실리콘 음극재입니다.
리튬이온의 저장량이 많으니 밀도가 높고 리튬이온의 포집속도 또한 빠릅니다.
다시 말해, 음극재의 핵심 해결과제인 충전 시간이 단축된다는 것입니다. 
하지만 이러한 실리콘은 스웰링 현상에 더 취약합니다. 
그래서 현재는 흑연에 실리콘 5~7%가량을 첨가하여 사용하고 있습니다. 
실리콘 5%는 충전시간 30분, 15%는 20분, 20%가 10분 이내로 줄어드는
엄청난 효과를 보여준다고 합니다.
 
실리콘 음극제는 실리콘 산화물(SiOx)과 실리콘 카본 복합 음극재(SiC) 두 가지로 나뉩니다.

실리콘 음극제 종류	실리콘 산화물 SiOx	실리콘 카본 복합 음극재 SiC	흑연
용량	1500	1200	370
수명	비교적 우수	비교적 우수	우수
원가	높음(진공 증착 방식을 사용)	비교적 낮음	낮음
특징	원재료가 비쌈/초기 용량 우위	입자가 큼 (스웰링 현상 빈도 높음)
	스웰링 현상 빈도 낮음	충방전 효율 우위 / 가격 우위
제조사	대주전자재료	한솔케미칼, SKC, 동진쎄미켐
	포스코케미칼	포스코케미칼	포스코케미칼

 
 
주요 고객사의 움직임

테슬라가 발표한 4680 배터리는 하이니켈 양극재를 이용하여 출력을 높인 배터리입니다. 
이는 현재 추세 자체가 하이니켈 양극재의 실리콘 음극제와 결합이라는 것을 알 수 있습니다.  
테슬라뿐 아니라 LG 에너지설루션도 포르셰 타이칸에 5% 첨가 실리콘 음극재를 탑재하고,
삼성 SDI도 SiC 실리콘 음극재 개발에 힘쓰고 있습니다. 
 

참고해 보면 좋을 관련 포스팅

쉽주. 쉽지만 찾아보기 귀찮은 주식 정보

(인포그래픽#12) 음극재 - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE

 

음극재의 Next Level, 실리콘 음극재 - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE