전기차음극재소재

전기차음극재소재

 

전기차배터리 소재에는 양극재와 음극재가 필요로 합니다.

올해는 특히나 전기차 배터리 소재에서 양극재가 유독 부각된 측면이 강합니다만 앞으로는 음극재 소재 개발이 아주 절실하게 중요해지고 있습니다.

 

양극재 개발 절실한 이유… 원가의 40% 이상 차지

 그래픽=삼성SDI 뉴스룸

먼저 ‘이차전지’에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 이차전지는 리튬이온이 양극(+)과 음극(-) 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 원리로 작동해서 ‘리튬이온 배터리’라고 불리기도 합니다. 충전을 통해 여러 차례 재사용이 가능하다는 것이 특징입니다. 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 충전해 반영구적으로 사용할 수 있어서 전기차를 비롯해 친환경 모빌리티와 IT기기 등 다양한 생활가전의 에너지원으로 쓰이고 있습니다.

이러한 이차전지를 이루는 4대 요소가 양극재·음극재·전해액·분리막 이런식으로 나누어집니다. 이 중 ‘양극재’와 ‘음극재’는 배터리의 용량·수명·충전 속도를 결정하는 가장 핵심적인 소재입니다. 양극재는 배터리의 용량과 평균 전압을, 음극재는 충전속도와 수명을 결정합니다.

배터리의 특성을 이야기할 때 가장 먼저 언급되는 것 중의 하나가 바로 용량과 출력인데, 이 특성을 결정하는 주 소재가 바로 양극재입니다. 얇은 알루미늄 기재와 활물질·도전재·바인더로 구성됩니다.

앞서 말했듯 이차전지는 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리입니다. 그래서 당연히 리튬이 들어가게 되는데 그 공간이 바로 양극입니다. 하지만 리튬은 원소 상태에선 반응이 불안정해 리튬에 산소를 더한 ‘리튬산화물’을 양극에 사용합니다. 리튬산화물처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 불립니다.

이 활물질에 소량의 도전재를 넣어 전도성을 높이고 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 돕는 것을 ‘합제’라고 하는데, 이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어집니다.

여기서 포인트는 어떤 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다는 것입니다. 리튬을 많이 포함했다면 배터리의 용량이 커지게 되고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커집니다.

또 양극재는 배터리 원가의 40% 이상을 차지하기 때문에 성능 외에도 시장 진입을 위해 원가 절감을 위한 혁신이 필요한 부분입니다.

트렌드는 실리콘 음극재… 과제는 팽창 조절

배터리 수명에 가장 중요한 역할을 하는 것은 음극입니다. 음극을 잘 설계하면 양극과 마찬가지로 배터리 용량도 커지고 수명을 보다 오래 유지할 수 있습니다.

음극 역시 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있습니다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수-방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 임무를 수행합니다.

현재 음극 소재로 많이 사용하고 있는 것은 ‘흑연’입니다. 흑연은 아주 규칙적인 구조로 되어 있습니다. 탄소가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조입니다. 그래서 충전 시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가면서 흑연은 조금 팽창합니다.

이차전지를 오래 사용하다 보면 사용시간이 점차 줄어드는 이유도 이것과 관련이 있습니다. 리튬이온이 들어가는 음극이 시간이 지날수록 열화가 되어 구조가 무너지기 때문입니다. 아무리 튼튼한 제품이라도 오래 사용하다 보면 낡고 고장이 나듯 배터리도 수명이 조금씩 줄어들게 되는 것입니다.
  
그래서 흑연의 뒤를 이을 소재로 떠오른 것이 바로 실리콘입니다. 실리콘은 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 빠릅니다. 다만 실리콘도 보완해야 할 점이 있는데, 바로 팽창입니다. 리튬이온이 들어갔을 때 흑연은 10% 수준의 팽창이 발생하지만 실리콘은 약 400% 정도 늘어나는 단점이 있습니다.

때문에 현재 배터리 업계에선 이 실리콘의 구조를 안정화시키는 방향의 연구 개발이 한창 진행 중입니다. 개발의 핵심은 음극재의 실리콘 함량을 높이면서도 팽창 현상을 최소화하는 것입니다. 실리콘 함량을 높인 음극재를 활용할 경우 전기차 주행거리 증가와 배터리 충전 속도 개선을 기대할 수 있을 것으로 업계는 보고 있습니다.

삼성 SDI는 자체 개발한 실리콘탄소복합체(SCN) 기술을 바탕으로 10% 이상 실리콘 함량을 늘리는 데 주력하고 있습니다. SCN은 실리콘을 머리카락 수천 분의 1 크기로 나노화해 흑연과 하나의 물질처럼 복합화한 신소재 음극재 기술인데, 이를 통해 올해 실리콘 용량 극대화를 목표로 한다는 게 회사 측 설명입니다.

SK온은 올해 상반기 출시 예정인 미국 포드 전기차(F-150 라이트닝)에 실리콘 7%를 첨가한 음극재를 적용하며 본격적인 기술 개발을 예고하고 있으며, LG에너지설루션은 실리콘 함량을 최대 10%까지 늘린 음극재 개발에 나선 상황입니다.

주식시장에서 기존에 양극재 중심으로 상승했다고 한다면 하반기에는 주로 음극재관련주들이 이슈가 크게 확장되면서 부각될 전망입니다.

 

이번 시간에는 음극재관련주를 알아보겠습니다.

 

 

전기차배터리 음극재관련주

포스코퓨처엠

대주전자재료

SKC

이녹스

액트로

KBG

하나머티리얼즈

한솔케미컬

HRS

엠케이전자

애경케미컬

현대공업

일진전지

원준

동진쎄미켐

포스코홀딩스

 

흑연 음극재 관련주

상보

태경비케이

엑사이엔씨

크리스털 신소재

대창

엘엠에스

나노 신소재

포스코퓨처엠