2차전지를 공부해보자(2) - 음극재 개발상황을 중심으로
- 투자관련칼럼
- 2019. 2. 6.
안녕하세요 오늘은 2차전지에 대한 두번째 칼럼입니다.. 지난 번에는 2차전지와 관련해서 양극재를 위주로 정리해보았는데요. 오늘은 2차전지에서 음극재 개발상황에 대해 정리해보도록 하겠습니다.
이 글을 보시기에 앞서, 그간 2차전지/전기차/수소차 관련해서 썼던 글들을 천천히 읽어보신다면 2차전지 전반을 이해하시기 좋을 것이라고 생각합니다.
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2차전지 이해에 앞서, 양극재/음극재가 무엇인지 간단하게 이해하고 넘어가면 좋을 것 같은데요.
(전공자가 아니어서 깊이있는 설명은 어렵습니다만 제가 아는 선에서 설명드리자만) 2차전지 구조를 간단하게 도식화하면 양극재-분리막-음극재로 이루어져있는데, 여기서 양극재와 음극재에 어떤 소재를 쓰느냐에 따라 2차전지의 에너지밀도가 결정됩니다.
에너지 밀도란 쉽게 말해 얼만큼의 저장할 수 있는 에너지의 총량이라고 할 수 있을 것 같은데요. 전기차의 주행거리를 높이기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 것이 중요하므로, 에너지밀도를 결정하는 양극재와 음극재가 중요하다는 점을 이해하실 수 있을 것 같습니다.
아래에서 음극재 개발상황에 관해서 정리해보도록 하겠습니다. 아래의 내용들은 지난 번 2019/01/26 - [투자관련칼럼] - 2차전지를 공부해보자(1) - 양극재를 중심으로와 마찬가지로, 2018년 11월 30일 IBK투자증권에서 나온 "연금술사"라는 제하의 리포트에서 내용을 요약 발췌한 것입니다.
경제성을 위한 양극재와 음극재의 변화들
(필자주) 현재는 2세대 배터리인데, 양극재(Cathode)로는 NCM622가, 음극재(Anode)로는 Graphite(흑연)가 사용되고 있는 것을 확인할 수 있습니다.
2021년부터 가시화될 것으로 보이는 3세대 배터리에는 양극재로는 하이니켈 배터리가 이용될 것으로 보이며 음극재로는 Graphite+Si(규소)가 사용될 것으로 보인다는 내용입니다.
자세한 음극재의 변화는 아래에서 좀 더 살펴보겠습니다.
음극재 개발 계획
음극재의 큰 변화는 제한적
음극재는 양극재 대비 재료비에서 차지하는 비중이 낮다. 1990년대 산요가 음극재에 흑연을 도입한 이후 음극활 물질의 큰 변동은 없었다. 흑연 이외에 금속계나 코크스를 원료로 한 카본 물질이 개발 되었으나 에너지당 비용이 비싸고 수명 문제가 있어 크게 상용화 되지는 못했다.
천연흑연과 인조흑연을 혼압한 믹스제품이 사용될 것
현재 2차전지에 사용되는 흑연은 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘어 진다. 천연흑 연은 가격이 저렴하여 가성비가 뛰어나다. 하지만 싸이클, 저장량, 에너지밀도가 인조 흑연대비 떨어진다. 인조흑연의 경우 고에너지 밀도화가 가능하지만 충방전시 스웰링 현상이 있어 지속력이 약하다. 현재는 천연흑연과 인조흑연을 혼합된 믹스제품이 사용 되는 추세이다.
음극재 성능 향상을 위해 실리콘 소재 사용
음극재의 밀도를 높이기 위한 방법으로 무기물계 활물질인 Si, Ge, Sn, Sb가 연구되고 있다. 그 중에서도 Si계 음극활물질은 상온에서 리튬이온과 반응할 경우 에너지 밀도 를 최대 3,800mAh까지 증가시킬 수 있어 다른 물질 대비 연구가 가장 활발하다
실리콘을 음극재에 적용하기 위해서는 실리콘 입자의 크랙상태를 방지하기 위해 나노 크기로 만들어 줘야 한다. 실리콘 음극활물질인 SiO와 SiC는 10나노 이상의 작은 크 기를 적용시켜야하며 나노사이즈가 작아질수록 재충전시 용량이 감소하고 생산비용이 증가하게 된다.
실리콘 소재 사용에 따른 비용 증가
실리콘이 음극재에 사용되기 위해서는 3가지 문제를 해결해야 한다. 첫번째 문제는 실 리콘의 부피 팽창이다. 실리콘은 흑연대비 약 10배 이상의 용량을 구현해 낼 수 있지 만 충방전시 약 400%이상의 부피변화가 발생하여 실리콘 파티클의 크랙이 발생하게 된다. 음극재 업체들은 실리콘을 나노화시켜 부피 팽창을 억제시키고 있지만 원가가 올라가기 때문에 배터리 가격상승 요인이 된다.
새로운 소재 물질 개발 중
두번째 문제는 충방전이 반복될수록 실리콘과 그라파이트 사이의 도전패스가 끊어지면 서 박리 현상이 나타난다. 이에 대한 해결 방법으로는 음극재와 활물질의 분리현상을 억제시키기 위한 바인더, CNT, Graphene 물질이 개발중이다. 세번째 문제는 음극재 충전시 SEI Layer가 굳어지는 단점이 있다. 흑연의 경우 부피 변화가 작아 SEI Layer의 문제가 없지만 실리콘과 합성될 경우 부피가 SEI Layer을 파괴할 정도의 크기가 되기 때문에 리튬을 소모시키고 가스가 발생하게 된다. 파괴된 SEI Layer은 점차 굳어지고 리튬의 산화 환원 반응을 제한시켜 배터리 수명을 단축시키는 문제가 일어난다. 이를 해결하기 위해서 실리콘 표면처리 및 새로운 전해 질을 개발하고 있다.
아래에서는 제 나름대로 좀더 짧게 요약해보도록 하겠습니다.
1. 현재 사용되는 음극재는 흑연소재입니다.
흑연에는 천연흑연과 인조흑연이 있는데, 양 소재 장단점이 있기 때문에 두 개를 섞어서 음극재를 만들고 있다고 합니다.(즉 현재 사용되는 음극재 = 천연흑연+인조흑연)
2. 처음 말씀드렸듯, 양극재/음극재 개발의 핵심은 에너지 밀도를 올리고 가격은 낮추는 것입니다. 에너지 밀도를 높이기 위해서 Si(규소)를 섞는 것이 주로 연구되고 있는데, 문제는 규소를 섞으면 몇가지 문제가 생긴다는 것입니다.
3. 규소를 섞었을 때 나타는 문제로는 1) 지속적인 충방전시 실리콘(Si) 부피가 팽창하여 실리콘 파티클의 크랙이 나타나며 2) 실리콘과 그라파이트 사이의 도전패스가 끊어지면서 박리현상이 나타난다는 것입니다.
4. 기술적인 부분이라 이해하긴 힘듭니다만 결론적으로는 어쨌든 저런 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 다양한 기술(바인더, CNT, Graphene 등 개발중)을 개발중입니다만 아직까지는 난제가 있다는 정도로 이해하면 충분할 것 같습니다.
투자자 입장에서 기술적인 부분까지 완벽하게 이해할 필요는 없을 것 같고, 세 가지 정도가 핵심이 아닐까 개인적으론 생각하는데요.
1) 향후 음극재 개발 방향은 에너지 밀도를 높이고 2) 가격은 낮추는 방향으로 진행될 것이며, 3) 현재로선 흑연에 Si를 섞는 방향으로 진행될 가능성이 커보이지만 향후에 어떤 방향으로 전개될지 정확하게 예측할 수 없다.
지금까지 2차전지 음극재 개발상황 및 향후 개발 방향에 대해서 살펴보았습니다. 이번 글을 계기로 다른 2차전지 관련 리포트를 보실 떄 조금이나마 도움이 될 수 있으면 좋겠습니다. 다음으로는 차세대 전지 개발방향에 대해 정리해보고 이번 2차전지 시리즈를 마감해보려고 합니다. 감사합니다.
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