2차 전지 소재 No.2 음극재 비교 분석

 

음극재는 충전시 양극재에서 방출된 리튬 이온이 저장되는 장소라고 보시면 되겠습니다. 비유적으로 양극재는 집이고, 음극재는 회사라고 보시면 되는데 배터리가 일을 할 때(방전)는 음극재에서 일을 시작하는 것이므로 이는 비교적 적절한 비유라고 하겠습니다. 배터리 전체의 15%의 비율을 차지하는 음극재의 소재는 어떤 것들이 있으며 그 특성과 음극재를 생산하는 기업들에 대해서 이야기해보겠습니다.

 

음극재 전통적인 소재 천연 흑연

 

흑연은 화학적으로 탄소(C)로 조성되어 있고 결정구조가 육방정계인 광물입니다. 다이아몬드와 성분이 같으나 강도면에서는 제일 무른 광물입니다. 위 사진과 같이 흑연의 구조는 층을 이루고 있어 충전시에 리튬 이온이 흑연 층 사이에 자리잡게 되고, 또 방전시에 들어온 입구로 리튬 이온이 나가게 되는 구조입니다. 원자탄소원자 6개가 리튬 이온 1개를 보유할 수 있습니다.

 

흑연은 중국이 최대 생산지이며, 음극재 분야는 현재 중국 기업이 세계 1위를 차지하고 있습니다. 천연 흑연 음극재는 다음과 같은 성능을 가지고 있습니다.

 

1. 효율 좋음
2. 출력 좋음
3. 수명 낮음
4. 가격 낮음
5. 충,방전 효율 낮음(시간이 오래 걸림)
6. 안정성 낮음(스웰링(부풀어 오름)현상 높음)

 

음극재 천연 흑연보다 안정적인 인조 흑연

 

인조 흑연은 석탄의 부산물인 콜타르를 증류하여 불순물을 제거한 후 열처리를 하면 생기는 침상코크스를 재료로 하여 만들어집니다. 주로 제철 산업에서 부산물로 생성되는데 그런 이유로 우리나라 포스코 계열 기업이 인조 흑연 생산에 강점을 보이고 있습니다. 포스코 MC머티리얼(포스코케미칼의 자회사)이 대표적이며 인조 흑연의 성능은 다음과 같습니다.

 

1. 천연 흑연보다 강도 높음
2. 수명 아주 좋음
3. 출력 아주 좋음
4. 가격 높음
5. 충,방전 효율 높고 빠름
6. 안정성 높음(스웰링(부풀어 오름)현상 낮음)

특히 5번과 같은 장점은 천연흑연의 양방향성과 비교해 다방향성으로 개선되었기 때문에 장점이며, 스웰링 현상이 없는 것이 폭발의 위험성을 대폭 낮춰주고 있습니다.

 

음극재 새로운 패러다임 실리콘

흑연은 장단점이 확실한 소재입니다. 가격이 저렴한 것이 장점이나 중국이 생산지인 탓에 그 공급에 있어 차질을 일으킬 수 있는 위험도 있습니다. 그리고 정치적인 이유로 미국이 중국산 제품을 제한하고 있기 때문에 그 공급이 더욱 악화되고 있습니다. 

 

그리고 흑연소재는 최대 단점이 있습니다. 바로 충전시간이 오래 걸린다는 점입니다. 미국에서 실시한 조사에 따르면 45%이상이 전기차 구입을 하지 않겠다고 대답했으며, 그 이유로는 충전의 불편함이 거론되었습니다. 

 

기술적인 부분에서는 양극재의 소재가 코발트를 대체해 니켈의 비중이 점점 많아지면서 '하이니켈'을 지향하고 있습니다. 하이니켈의 개발이 고도화되면 흑연이 그 용량과 속도를 감당하지 못하는 현상이 일어나고 있습니다. 

 

이런 단점을 보완하기 위해 실리콘이 음극재 소재로 등장했습니다. 실리콘의 원료는 규소이며 이는 모래입니다. 자원이 풍부하며 친환경적입니다. 실리콘은 흑연보다 4배 가량 포집이 가능하며 속도도 빠릅니다. 하이니켈 양극재가 발전하면 반드시 실리콘 소재의 음극재가 동반되어 개발되어야 하는 부분입니다.

 

그러나 실리콘은 아직 개발이 더딥니다. 순수한 실리콘으로만 개발된 음극재는 현재 없으며 흑연에 10%이하의 비중으로 합성된 소재가 사용되고 있습니다. 이유는 실리콘도 스웰링(부풀어 오름)현상이 생기기 때문에 폭발 위험이 높기 때문입니다.

 

수명은 보통이며, 출력은 좋으며, 가격은 매우 비쌉니다.

 

음극재 개발 기업

천연 흑연	인조 흑연	실리콘(SiOX)	실리콘(SiC)
대부분 중국기업	포스코케미칼 BTR(중국)	포스코케미칼 대주전자재료 BTR(중국)	포스코케미칼 한솔케미칼 동진쎄미캠(삼성향) 이녹스 BTR(중국)