[함께배우기] 2차전지 마스터하기(3)-음극재편

앞서 배웠듯이 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을  한다. 흑연을 주요 소재로 사용하며 최근에는 흑연보다 대략적으로 10배 더 많은 리튬을 저장할 수 있는 실리콘을 음극재에 흑연과 함꼐 첨가하여 넣고있다.

음극재의 주요 특징은 아래와 같다.

1. 배터리의 수명, 충전속도를 결정

2. 그 종류가 천연흑연, 인조흑연, 실리콘음극재로 나뉨

3. 배터리 원가의 약 15%를 차지

음극재의 종류 4가지이다. 1.천연흑연 / 2, 인조흑연(콜다르는 탄소의 일종) /  3.실리콘 복합체(탄화규소) / 4.실리콘 산화물

내부 층상구조의 발달로 리튬이온을 안정적으로 저장할 수있는 음극재

흑연이 음극재로 사용되는 이유는 내부구조 떄문인데, 연필심의 밀도가 낮은 것처럼 흑연은 층상구조로 가운데 공간이 있는 층이 겹겹이 쌓여져 있는 구조이기에 리튬이온이 쉽게 저장될 수 있다. 천연흑연은 중국이 주로 생산하고 있으며 용량이 크고 가격경쟁력이 우수한 장점이 있다. 단, 충전속도가 낮고 배터리를 계속 사용하면 흑연의 층상구조의 층간 간격이 벌어져 배터리가 부푸는 스웰링현상이 발생할 수 있으며 수명이 짧다.

2. 인조흑연 / 포스코가 철강사업을 하기에 철강생산의 부산물인 콜타르로 침상코크스를 만든다.

천연흑연은 등방형 구조를 가진 인조흑연에 비해 리튬이 이동할 수있는 방향이 제한되어있어 구조적ㅇ으로 충전시간이 길고 수명이 짧다.

인조흑연은 천연과는 다르게 구조가 층상구조가 아닌 등방형구조로 되어있기에 보다 안정적이고(스웰링현상에 우위) 리튬이온의 이동경로가 양쪽이 아닌 둘레 전체에서 이동할 수 있기에 충전시간이 더 짧다. 앞과 같은 특징으로 인조가 천연보다는 사용하기에는 좋지만 가격이 비싸다. 또한 인조흑연은 천연흑연과 달리 철강을 생산하는 과정에서 생기는 부산물인 '콜타르'를 가공하여 생산해야하기에 진입도가 상당히 높다.

그렇기에 국내에서는 철을 생산하는 포스코가 인조흑연을 유일하게 생산하고 있으며 포스코MC머티리얼즈(포스코케미칼이 지분을 60%가지고 있음)에서 이를 담당하고있다. 더욱이 포스코케미칼에서 천연흑연소재 구조를 이방형에서 등방형으로 개선하여 제조하여 인조흑연 대비 제조원가가 낮고 수명이 우수한 저팽창 천연흑연 음극재를 개발, 생산하고 있으며 앞으로는 이런 우수한 가공흑연을 사용할 가능성이 더 높다. 

그렇다면 실리콘은 왜 사용하는 것일까? 사실 기존 내연기관차에서 전기차로 갈아타기에 꺼려지는 이유를 찾자면 충전이 불편함이 주요하게 꼽힐 것이다. 이러한 충전시간이 다수 소요되는 불편함을 줄여줄 수 있는 것이 바로 실리콘 음극재이다.  그 외에도 실리콘은 지구상에서 가장 풍부하고 친환경적인 재료이며 흑연은 탄소분자 구조상 하이니켈 양극재로 인해 높아진 배터리 용량을 받아들이기 어렵기에 실리콘의 장점이 더욱 부각된다.(실리콘은 4개당 리튬이온 15개 포집하고 탄소는 6개당 리튬이온 1개를 포집)

실리콘 음극재를 사용하려는 주요 이유

테슬라가 앞으로는 사용할 것이라고 밝힌 4680 배터리에 하이니켈 양극재 + 실리콘 음극재를 사용하겠다고 하며 이는 세계적인 전기차 배터리 추세가 될 것으로 예상된다. 하지만 흑연과 함께 음극재 생산 시 실리콘 산화물이 더 많이 쓰일지 실리콘 복합체가 더 많이 쓰일지는 아직 알 수 없다.

실리콘 음극재 주요기업 및 주요일정

앞으로 실리콘 음극재 관련 시장은 커질 수 밖에 없다.. 양극재는 이미 많이 올라 부듬스럽게이 새로운 투자기회는 실리콘 음극재에서 발생할 것으로 보이기에 지속적인 관찰이 필요하다.