이차전지 음극재용 탄소나노소재 기술동향 및 전망

이차전지 음극재용 탄소나노소재 기술동향 및 전망

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목차

1. 이차전지 음극재용 탄소나노소재 개요

2. 이차전지 음극재용 탄소나노소재 기술 현황

3. 결론 및 제언

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1. 이차전지 음극재용 탄소나노소재 개요

배경 및 기술 개요

★ 2020 한국형 그린 뉴딜정책 시행 및 2050 탄소 중립 추진전략의 수립과 함께 화석연료의 사용을 최소화하는 친환경 수송체 시스템의 주행거리의 증가를 위해 배터리의 효율증가 및 포스트 코로나19 시대 세계 경제의 미래 에너지 패러다임 전환 대비 이슈가 점차 극대화되고 있음

 

★ 친환경 수송체 시스템용 중대형 배터리 시장에서도 고용량 음극 소재를 필요로 하면서 기존에 쓰이던 탄소계, 흑연계 음극재에서 최근에는 금속복합계인 실리콘(Si) 음극재가 주목받고 있으나 이를 단독으로 사용할 경우 부피팽창에 의한 파쇄 및 탈착, 두꺼운 SEI 층 형성으로 인해 수명이 감소하는 문제가 존재함

 

★ 현재 세계적으로 탄소나노소재(Graphene, CNT) 기반의 첨단 신산업(배터리, 슈퍼커패시터, 연료전지, 디스플레이, 전자파차폐, 센서, 항공기, 자동차용 복합체 등)의 급속한 팽창이 예견되며, 이에 따라 탄소나노소재 원소재 및 응용 분야 공정에 직접 사용될 수 있는 전도성 및 기능성 잉크/페이스트와 같은 중간재에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있음

 

★ 첨단 신산업인 에너지 저장소자 분야로서 이차전지의 소재부품은 탄소나노소재의 접목을 통한 응용 시 다양한 특성 향상 및 상용화 접목이 가능한 영역으로 대두되고 있음

 

★ 특히 탄소나노소재는 기존 실리콘 음극재의 안정성 문제를 해결할 수 있는 소재로서 실리콘 함량을 증가시키고 전극과의 계면저항을 감소할 수 있어 스마트 에너지 소재로서 각광받고 있음

★ 그러므로 향후 급속도로 성장할 리튬 배터리용 첨가제 시장에서 프리미엄급의 탄소나노소재는 핵심 원천소재로 작용할 것으로 예측됨 [4]

시장 규모

★ 전기자동차 및 ESS 시장의 성장에 따라 리튬이차전지 전체시장은 2019년 198GWh에서 약 17배 성장하여 2030년 3,392GWh에 달할 것으로 예측하는데 이 중 전기자동차가 2018년 100GWh에서 약 30배 성장하여 2030년 3,066GWh로, ESS가 2019년 12GWh에서 2030년 203GWh 규모의 성장이 이루어질 것으로 예상됨 [5]

 

★ 이차전지 음극재 전체시장은 2019년 19만 톤에서 연평균 39% 성장하여 2025년 136만 톤 규모로 성장할 것으로 예측되며, 이 중 실리콘 음극재는 2019년 약 3%에서 연평균 70% 이상 증가하여 2025년에 11%를 차지할 것으로 예상됨 [6]

★ 이차전지용 탄소나노소재의 전체시장 규모는 그래핀의 경우 2024년 168M$에서 연평균 23.9%의 성장률로 2030년 609M$에 달할 것으로 예상됨 [7]

★ CNT 도전재의 경우 2020년 21M$에서 연평균 59%로 성장하여 2030년 2,099M$에 달할 것으로 예상되며, 그 중 양극 도전재가 1,216M$, 음극 도전재가 883M$를 차지할 것으로 예측됨 [8]

 

 

2. 이차전지 음극재용 탄소나노소재 기술 현황

 

★ 3세대 전기자동차의 개발 요구 조건인 에너지 밀도 증가, 충전시간 단축 등을 충족하기 위하여 high Nickel계 양극재, 음극재의 실리콘 채용이 필수적임에 따라 전도성 증가 및 실리콘의 팽창, 효율, 수명 감소를 개선하기 위한 차세대 소재인 CNT, CNF, Graphene 등 새로운 물질 적용을 위한 기술적 난이도 해결 중심으로 기술 개발이 진행되고 있음

 

국내 기술 현황

★ 삼성SDI, LG화학 등 국내 배터리 제조사의 경우 소형 IT용 제품에만 일부 이차전지 분야에 카본블랙 계열의 입자형 도전재가 아닌 선형 도전재인 CNT를 전극 공정에 적용하기 시작하였으며, 셀 성능 향상을 위해 탄소나노 제조업체와 CNT 등 탄소나노소재의 형상 제어 기술 개발을 위한 공동 연구 진행

 

★ LG전자는 gram 노트북에 CNT 도전재가 적용된 베터리를 탑재하여 용량을 기존 대비 1.7배 이상 증가시켜 장시간 사용할 수 있다는 점을 강조하였으며, 향후 5G 통신망 구축으로 데이터 통신 속도가 빨라지고 기기 간 연결이 늘어나면서 전력 소모가 많아질 경우를 대비해 CNT 도전재 적용 부각 가능성을 강조

 

★ 리튬이차전지의양극재용 CNT 도전재(Multi-walled CNT+NMP solvent)를상용화시킨업체로는전세계적으로 LG화학과 나노신소재가 있으며, 그 중 LG화학은 배터리 소재 수요에 대응하기 위해 약 650억 원을 투자해 2021년 1분기까지 CNT 생산 설비 규모를 기존 500톤에서 1,700톤까지 증설하였으며, 향후 이차전지 소재 시장에서 CNT 도전재의 수요가 급증할 것을 전망

 

★ LG화학은 실리콘 음극재 적용 시 파우치 셀의 부피 팽창으로 인한 문제들을 보완하기 위해 CNT 도전재를 일부 혼합하여 공정에 적용하였으며, 이를 2020년 Porsche Taycan에 5wt% 실리콘 음극재가 적용된 중대형 배터리를 전 세계 최초로 공급

★ 이차전지용 신규 도전재로 CNT뿐만 아니라 그래핀 기반 탄소소재에 대한 적용 연구가 학·연을 중심으로 연구되고 있으며, 특히, 실리콘 기반의 음극 적용을 위한 화학적 박리그래핀 기반 고품질 환원그래핀(rGO) 제조 및 고농도 수계 분산기술은 업계의 다양한 응용소재로서 니즈가 있지만, 현재 약 ～100S/cm 정도의 전기전도도 및 유기계 분산용액 상태의 제품이 소수 판매되고 있는 상태이며, ～1,000S/cm 이상의 순수 그래핀 기반 수계 분산용액 및 고농도 페이스트 제조관련 기술은 전 세계적으로 lab scale 수준의 한계가 있음

 

★ 삼성SDI와 LG화학 등 업체에서 고용량 음극 신소재를 적용한 전지 개발이 진행 중에 있으며, 대주전자재료가 방전용량과 초기효율 및 용량유지율을 개선시킨 실리콘 음극 복합산화물(Si-MgxSiOx)을 유일하게 상용화하여 LG화학에 공급함

 

★ 실리콘과 흑연을 배합해 서로의 장점을 살리는 방법 중 하나로 실리콘/탄소 복합체(Si/Carbon nanocomposite)를 삼성SDI-삼성종기원이 독자적으로 개발하여 특허를 보유하고 한솔케미칼, 중국 BTR 등을 통해 실리콘 음극활물질을 상용화시켜 배터리 경쟁력을 강화함

 

★ 한국전기연구원에서는 고결정성 그래핀 수계 분산 기술을 적용하여 코어/쉘 구조의 실리콘/그래핀 복합 음극재 대량 제조기술을 개발하고 ㈜HNS에 기술이전하여 상용화 연구를 수행 중임. 특히 기존 고가의 나노 실리콘 대비 저렴한 마이크론 크기의 실리콘을 활용하여 가격경쟁력을 확보하였고, 리튬이차전지 음극 활물질의 실리콘 함량을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 기술을 개발함

국외 기술 현황

★ 수송용 등 고에너지밀도 및 장수명이 요구되는 중대형 이처전지 용량 증대, 출력 특성 향상, 수명특성 향상 및 급속 충전을 목적으로 전도성이 우수한 도전재 및 이를 적용한 상용화 기술 개발의 경우 일본과 중국이 선도하고 있음

 

★ 특히 중국을 중심으로 탄소나노 도전재 제조 관련 기업이 급속도로 성장하고 있으며, 최근 수송 분야 중대형 전지에 적용될 수 있는 전도성이 우수한 탄소나노소재 제조 기술 확보에 주력을 이루고 있음

 

★ 일본, 중국 역시 소형 IT용 이차전지를 중심으로 부피당 에너지밀도 극대화를 위하여 탄소나노소재 기반 도전재로 대체하고 있으며, 이를 중대형 이차전지 분야 적용 확대를 위한 방법 모색 중임

 

★ 현재 이차전지용 도전재는 미국(Cabot), 일본(미쓰비시화학-Ketjen black, Denki그룹-Denki black, 쇼와덴코-VGCF), 중국(Cabot 중국 공장) 순서로 생산되어 적용되고 있음

 

★ 중국의 BTR에서는 표면에 탄소를 코팅시킨 실리콘산화물(SiOx-C) 및 나노실리콘(nano Si) 기반의 음극재를 개발하고 있으며, 일본 Shinetsu의 실리콘산화물과 비슷한 수준까지 기술 수준에 도달함

 

★ 중국내 인조흑연 생산 1위 업체인 Shanshan의 경우 실리콘-탄소(Si-C), 실리콘산화물-탄소(SiOx-C) 기반 복합소재 개발 중에 있으며, 일부 제품에 대하여 상용화에 성공했지만 여전히 낮은 용량과 사이클 특성으로 인하여 성능 개선 연구가 진행 중에 있으며 실질적으로 나노실리콘-탄소 복합체, 실리콘 복합산화물 연구에 집중되고 있음

 

★ 현재 고효율/고용량 실리콘 경쟁제품군으로는 실리콘 합금(Silicon alloy), 나노실리콘-탄소(nano Si-C) 복합체, 실리콘 산화

 

 

3. 결론 및 제언

 

★ 지금까지 리튬이차전지 산업은 에너지밀도 향상과 원가절감이라는 키워드에 맞춰 다양한 시장에서 빠르게 성장해 왔음. 국내 전지 기업들은 일본 기업들에 비해 뒤늦게 시장에 진입했음에도 불구하고 탄탄한 제조 경쟁력을 바탕으로 높은 지위를 차지하고 있으나, 전지 핵심 소재는 대부분 수입에 의존하고 있음

 

★ 또한, 최근 중국 전지 기업들이 공급사슬망 통합을 통한 가격 경쟁력 향상과 한국 전지 기업을 견제하는 중국 정부의 규제 강화 정책에 힘입어 급성장하고 있으므로 국내 전지 기업들은 차세대 전지 개발의 주도권을 잡으면서 빠르게 뒤쫓아 오고 있는 중국 전지 기업들을 견제해 나갈 수 있는 차별화된 소재/부품 원천기술을 보유해야 함

 

★ 프리미엄급 탄소나노소재 기술은 고용량/장수명 이차전지의 핵심기술로 기존의 탄소계 핵심기술 품목의 수입 비의존적 자립형 모델 창출의 기회이므로 국내 탄소산업 생태계 강화 및 신시장 선점을 위해 전략적인 기술 개발이 필요함

 

★ 전 세계적으로 비교적 초기 단계인 고용량/장수명 이차전지 음극재용 탄소나노소재 제조기술 확보를 위해 국내 소재기업과 수요기업 간 긴밀한 협업체제 구축 및 중앙 정부차원의 체계적 기술개발 지원이 필요함

 

 

 

 

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출처 : keit pd이슈리포트