2차 전지의 재료에 대한 소개 및 관련 업체
2차 전지는 LG 화학, SK 이노베이션, 삼성SDI 등에서 현재 만들고 있습니다. 이는 3가지 가루로 이루어져 있는데, 실리콘 음극재, CNT 도전재, 전해질들&전해 첨가제입니다. 전기차의 선두주자인 테슬라의 주행거리는 이전 완성차 업체에 비해 이미 벌어져 있습니다.
양극은 리튬 이온을 만들고 주행거리 결정합니다. 양극재를 하이니켈로 하는 이유는 빵빵하게 이온을 만들기 위해서입니다. 음극은 만든 리튬을 저장하는 곳으로 스펀지처럼 빨아들이면 충전시간이 줄어듭니다. 왔다 갔다 할 때 매개체가 되는 전해질 특성을 개선시키는 것도 중요합니다. 현재는 양극의 하이니켈 만드는 업체들이 포커싱되어 있습니다. 예를 들어 에코프로비엠, 엘앤에프가 있습니다. 업사이드 포텐션쪽에서는 음극재나 전해질 쪽이 큽니다. 대주전자재료, 동진쎄미켐, 한솔케미칼 등의 업체가 있습니다.
양극을 만드는 업체들이 하이니켈로 가는 방향은 같습니다. LG화학 기준 6(니켈)2(코발트)2(망간)에서 712로 변경하는 것이 목표입니다. 양극은 늘리는 방안 이미 시행중에 있습니다. 음극을 만드는 업체에서는 에너지 케파를 늘리기 위해 실리콘 첨가제 추가해야 합니다. 충전시간이 적어지는 효과가 있게 되고 2022년부터 본격화될 듯합니다. 전해질을 연구하는 업체에서는 추가적인 신규 전해질 첨가(+D,+B)로 수명을 연장하는 방법 강구하고 있습니다. 이 모든 것은 기술적인 부분은 연구되었던 것으로 논문에 있는 기술을 상용화 중에 있는 것으로 보시면 됩니다.
전기차 시장의 성장과 그에 따른 전망
2025년까지 1200만대로 전기차 판매가 될 것으로 추정됩니다. EV도 엄청나게 늘어나게 될 것입니다. 이에 따라 음극 SI첨가제는 현재 133억에서 2025년에는 5조의 시장이 될 것으로 추정합니다. CNT는 현재 70.6억에서 2025년 2조의 시장이 될 것으로 추정합니다. 이는 침투율이 0~1%밖에 안되기 때문입니다. 2025년에는 침투율(채택하는 자동차 모델의 비율) 실리콘 첨가제가 60%, CNT 양극재가 55%, 음극재가 50% 될 것으로 추정합니다. 판매단가가 급격하게 줄어들지 않는다고 가정한 이유는 농도가 계속 높아질 것이기 때문입니다. 퀄리티가 높아지니 단가에는 크게 영향을 받지 않을 것으로 보입니다.
테슬라는 자체적으로 배터리를 만들겠다 선언을 했습니다. 9월달 테슬라 배터리데이에서 공식적으로 언급할 것으로 예상합니다. 완성차 업체들은 주행거리, 충전 시간, 수명 향상, 저온 특성을 배터리 업체들에게 요구할 수밖에 없을 것입니다.
2차전지 시장에서 남아있는 과제들
실리콘 음극재는 저장 그릇이 많이 필요합니다(실리콘). 흑연은 리튬 이온 1개 저장시 탄소분자 6개 필요(-6)하게 됩니다. 실리콘은 분자 하나가 리튬이온 4.4개 저장(4.4). 실리콘의 저장 용량이 10배정도 향상시키기 때문에 충전시간 감소에도 도움이 됩니다. 이 때까지는 실리콘의 물리적 팽창이 4.4배 늘어나서 문제였습니다. 이는, 1. 물리적으로 구조적 불안정 : 자꾸 팽창수축하면 소재에 문제가 생기고, 2. 리튬 트랩 : SI층에서 전자를 막아줘서 전류를 만들어내는데 실리콘의 팽창수축 때문에 이 구조가 깨지기 때문에 배터리 수명 단축되었습니다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 1. 나노 사이즈로 줄이거나, 2-1. 실리콘 산화막 형식으로 물리적으로 팽창하는 것을 막아주거나(대주전자재료) 2-2. 실리콘 탄소복합체를 이용하여 실리콘을 처음부터 탄소계 물질로 코팅하여 코팅된 힘이 물리적 팽창을 막아주는(삼성 SDI와 삼성 종기원에서 기술이전 후 양상 준비를 하는 한솔케미칼) 방식이 있습니다. 양극재의 퍼포먼스가 좋아지면 그를 담는 그릇인 음극재도 좋아져야 합니다.
CNT(탄소나노튜브) 도전재는 활물질 내에서 전자들의 이동 통로 역할로, 원재료를 만드는 것은 쉬우나 CNT의 강한 응집력을 분산시키는 것이 핵심입니다. 따라서 진입장벽이 있습니다. 고속충전(고전압)시에도 배터리 수명이 줄어들지 않는데 역할을 해줍니다. 양극재형 CNT은 전도도가 높고, 기존에 쓰던 것의 20%만 써도 같은 성능이 나옵니다. 어차피 2~4%밖에 차지를 안해서 줄여봤자 큰 의미가 없습니다. 차라리 하이니켈이 좀 더 파워풀하다고 할 수 있습니다. 양극의 용매는 NNP라고 용해도가 높습니다. LG화학, 나노신소재 등에서 담당하고 있습니다. 음극재형 CNT는 실리콘의 팽창 문제를 보완 해결 가능합니다. 음극의 용매는 물로서 용해도가 떨어집니다. 나노신소재에서 이러한 소재를 만들고 있습니다.
하이니켈 사용시 주행거리는 어차피 늘어날 것은 보장됩니다. 충전 시간에 대해 더 불만이 생길 것이고 주행 거리 이외의 개선을 위해서는 첨가제 사용이 필수가 될 것입니다.
현재 2차 전지의 기술의 진입장벽 자체가 높고, 현재 배터리 3사가 국내 업체와 손잡고 하다 보니 국내 업체들의 기술력이 좋아질 수밖에 없는 상황으로 좋은 양상을 띄고 있다고 할 수 있습니다.