[염블리와 함께배우기] 2차전지 Part3 : 음극재의 모든 것(흑연 VS 실리콘 음극재)

Description

이번 영상에서는 2차전지의 음극재에 대해 심층적으로 설명합니다. 특히, 흑연과 실리콘 음극재의 차이점과 장단점을 자세히 다루어 전기차시장에서의 중요성을 강조하고 있습니다. 음극재의 구성도 다루면서, 충전 속도와 용량 관리의 중요성을 이해할 수 있습니다. 실리콘 음극재의 기술 개발 현황도 함께 언급되어, 전기차의 대중화와 충전 시간 단축을 위한 노력을 엿볼 수 있습니다. 이 콘텐츠는 미래의 배터리 기술에 대한 전망과 방향성을 제시하여 이해를 돕습니다.

[함께배우기] 37일차, 2차전지 Part3. 음극재의 모든 것(흑연 VS 실리콘 음극재)

1. 🔋 음극재의 구성과 주요 특징

음극재는 리튬이온을 저장하고 충전 및 방전 시 이를 방출하여 배터리의 수명과 충전 속도에 직접적인 영향을 미친다.

음극재의 원가는 배터리 총원가의 약 15%를 차지하며, 천연 흑연, 인조 흑연, 실리콘 등 세 가지 주요 소재로 구성된다.

흑연은 천연과 인조로 나뉘며, 천연 흑연은 리튬이온을 안정적으로 포집할 수 있지만, 충전 속도가 다소 느리다는 단점이 있다.

인조 흑연은 충전 시간이 짧고 성능이 뛰어나지만 용량이 낮고 가격이 상대적으로 비싸며, 음극재의 76%를 차지한다.

포스코케미칼이 인조 흑연의 충전 속도를 개선하기 위해 천연 흑연을 활용하는 사례가 있으며, LG엔솔과 GM의 합작사인 얼티엄 셀즈에 이를 공급하고 있다.

1.1. 음극재의 역할과 구성

음극재는 배터리에서 리튬 이온을 저장하는 역할을 하며, 이를 통해 용량과 성능이 향상된다.

음극재는 배터리의 수명과 충전 속도를 결정하는 중요한 소재로, 양극재와 함께 배터리 성능에 영향을 미친다.

흑연이 주로 사용되지만, 실리콘 소재가 충전 속도를 증가시키는 데 기여한다.

배터리의 원가에서 음극재는 약 15%를 차지하며, 천연 흑연, 인조 흑연, 실리콘의 세 가지로 나누어진다.

음극재는 주로 4가지 물질로 구성되어 있으며, 각 물질의 역할이 중요하다.

1.2. 음극재의 종류와 특징

음극재는 크게 흑연과 실리콘으로 나뉘며, 이들은 각각 천연과 인조로 생성된다. 이들은 총 4가지 종류로 구분된다.

흑연은 탄소로 구성되며, 연필심의 주요 성분이고, 층상 구조를 통해 리튬 이온을 저장할 수 있는 특성이 있다.

천연 흑연은 흑연광산에서 채취하고 불순물을 제거한 후 가공하여 만들어지며, 카본 코팅 처리도 진행된다.

흑연의 특징은 고용량으로 안정적인 리튬 이온 저장이 가능하나, 상대적으로 수명이 짧고 충전 속도가 느리다는 단점이 있다.

사용 중 층이 벌어져 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생할 수 있으며, 이는 배터리의 안전성에 영향을 미칠 수 있다.

1.3. 포스코케미칼의 음극재 연구

포스코 MC 머티리얼즈, 이전 이름은 포스코케미칼이며, 자회사로 PMC텍이 존재한다.

PMC텍은 침상 코크스를 생산하며, 이는 철 제조의 부산물인 콜타르를 활용하여 만들어진다.

침상 코크스는 뾰족한 형태로, 이를 통해 인조 흑연을 생산할 수 있다.

인조 흑연은 충전 시간을 단축시킬 수 있어, 음극재의 76%를 차지하는 성능이 뛰어난 재료이다.

하지만 인조 흑연은 용량이 낮고 가격이 비싸며, 이러한 단점을 천연 흑연으로 보완하고 있다.

1.4. 천연 흑연 음극재의 특징과 장점

천연 흑연은 포스코케미칼이 자체적으로 개발한 음극재이다.

천연 흑연은 가격이 상대적으로 저렴하며, 충전 속도가 느린 단점이 있다.

등방성 구조로 변경 시 충전 속도가 향상되며 가격 경쟁력이 뛰어난다.

천연 흑연은 친환경적이며 탄소 배출을 감소시키는 장점을 가지고 있다.

포스코케미칼은 국내에서 음극재 생산에 있어 유일한 기업으로, LG엔솔과 GM의 합작사에 공급을 할 예정이기도 하다.

2. ⚡ 실리콘 음극재의 필요성과 장점

실리콘 음극재는 지구상에서 가장 풍부하고 친환경적인 소재로, 현재의 음극재에서 실리콘으로 전환이 필요한 이유가 된다.

전기차의 충전 시간 단축은 대중화의 필수 과제이며, 현재 기술로는 큰 차이를 보이며 실리콘이 이 문제를 해결할 수 있다.

실리콘의 용량은 1g당 최대 4,200로, 흑연의 370에 비해 월등히 높아 리튬이온을 잘 잡을 수 있어 주행 거리와 충전 속도를 증가시킬 수 있다.

하이니켈양극재의 활용이 증가함에 따라, 흑연만으로는 충전된 리튬이온의 속도를 감당하기 어려워 실리콘의 첨가가 필요하다.

현재 흑연이 대세이지만, 실리콘으로의 전환은 하이니켈 비중 증가에 따른 필수적인 선택으로 점차 확산될 전망이다.

3. ⚡ 실리콘 음극재의 사용 제한 요소

실리콘 음극재는 스웰링 현상으로 인해 쉽게 부풀어 올라서 터질 위험이 있다. 이는 실리콘을 많이 추가할수록 발생하는 문제이다.

현재 실리콘 음극재는 일반적으로 5% 이상 첨가할 수 없으며, 이로 인해 충전 시간단축의 장점이 제한된다.

기술 개발이 이루어지지 않는 한, 실리콘 음극재의 상용화는 어렵고, 스웰링 현상을 방지하기 위한 도전제의 개발이 필요하다.

실리콘 음극재의 장점으로는 빠른 충전 시간이 있으며, 20% 첨가 시 충전 시간이 10분 이내로 단축될 수 있다.

다양한 기업들이 실리콘 음극재의 사용을 늘리려는 노력을 하고 있으며, 대표적으로 테슬라와 LG에너지솔루션, 삼성SDI가 해당 기술을 채택하고 있다.

3.1. 실리콘 음극재의 한계와 가능성

실리콘 음극재는 많이 사용하면 부풀어 오르는 현상(스웰링)을 유발하여 위험하다.

현재 실리콘을 흑연과 혼합 시, 일반적으로 5%까지만 사용되고 있으며, 이를 초과하면 폭발 위험이 있다.

실리콘 음극재를 5%만 사용해도 충전 시간이 평균 20분으로 단축되며, 20% 사용 시 더 빠른 충전이 가능해진다.

실리콘 음극재는 리튬이온의 저장 능력이 4배 향상될 수 있으나, 스웰링 현상으로 인해 대량 사용에 제한이 있다.

기술 개발을 통해 실리콘 음극재의 사용량을 증가시키기 위한 노력이 계속되고 있다.

3.2. 테슬라와 배터리 기술의 발전 방향

테슬라는 4680 배터리를 발표하였으며, 이는 지름 46mm와 높이 80mm로 기존 2170 모델보다 크다.

4680 배터리는 하이니켈 양극재와 실리콘 음극재를 결합하여 제작될 예정이며, 이는 배터리의 발전 방향성을 반영한다.

LNF는 하이니켈양극재에서 세계 최고의 기술력을 가지고 있으며, 실리콘 음극재도 포함되어야 한다.

LG에너지솔루션과 삼성SDI는 각각의 배터리에 실리콘 음극재를 적용할 계획을 세우고 있으며, 삼성은 국내 업체들과 협력할 가능성이 높다.

중국의 BTR은 음극재분야에서 세계 1위를 차지하고 있으며, 삼성은 BTR 외에도 국내 기업들과 함께 국산화를 추진하고 있다.

3.3. 실리콘 음극재의 종류와 특성

실리콘 음극재는 SiOx( 실리콘산화물)와 SiC(탄화 규소) 두 가지 종류로 나눌 수 있다.

두 음극재의 대중화 가능성은 여전히 불확실하며, 둘 다 사용될 수 있는 가능성도 있다.

SiOx는 실리콘 포말로 보호되어 있으며, SiC는 탄소로 구성되어 있어 차별화된다.

SiOx의 용량이 가장 우수하고, 흑연보다 제조원가가 비쌀 뿐만 아니라 수명은 흑연이 더 우수한 편이다.

SiC는 제조원가는 다소 낮지만, 입자가 크기 때문에 부풀어 오르는 현상(스웰링 현상)이 발생할 수 있다.

3.4. 음극재 비교 분석

흑연 음극재는 포스코케미칼이 국내에서 유일하게 생산하고 있으며, SiOx는 대주전지들이 사용하고 있다.

해외에서는 BTR이 존재하며, 중국 기업들은 음극재를 폭넓게 생산하여 세계 1위를 차지하고 있다.

대주전지 재료는 상용화가 가장 먼저 이루어진 분야로, 현재 한국 기업들은 주로 SiC 쪽으로 이동하고 있다.

SiOx와 SiC중 어떤 기술이 시장에서 이길지에 대한 확신은 없지만, 대주전지 재료는 SiOx쪽에 외롭게 위치하고 있다.

한솔케미칼, SKC, 동진쎄미켐, 이녹스는 실리콘 음극재의 밸류체인에 속하는 자회사를 두고 있으며, 원재료를 생산하는 회사들이다.

4. ⚡ 실리콘 음극재의 특징 및 시장 전망

실리콘 음극재는 주행거리를 증가시키고, 급속 충전 시 효율적이며, 고용량 충전 시간을 단축시키는 장점이 있다.

실리콘 음극재의 효율은 80%에서 90% 정도로 나타나며, 수명은 보통이고 가격은 비싸다는 단점이 있다.

실리콘 음극재 시장은 연평균 약 49% 성장할 것으로 예상된다.

주요 기업의 생산 계획에 따르면, 포스코케미칼, 이녹스, 대주전자, 한솔케미칼, SKC 등의 기업들이 2025년 상반기부터 본격적으로 생산을 시작할 예정이다.

앞으로 실리콘 음극재시장이 커질 것으로 예상되며, 이는 새로운 투자 기회로 작용할 수 있다.