[증권사 리포트] 이차전지용 실리콘 음극재 및 CNT 도전재 분석 - 2편

이차전지용 실리콘 음극재 및 CNT 도전재에 대한 포스팅 시리즈는 하나증권의 리포트(2023년 6월 2일 자 'The more, the better')에 대한 분석 및 자체 조사한 내용을 담고 있습니다. 이전 포스팅(1편)에서는 완성차 업체들은 주행거리 및 충전속도가 개선된 'Better Battery'에 대한 요구가 높은 상황이라는 것을 확인했습니다. 이번 에서는 해당 요구를 충족할 수 있는 소재로 실리콘 음극재와 CNT 도전재가 거론되는 이유에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

[증권사 레포트] 이차전지용 실리콘 음극재 및 CNT 도전재 분석 - 1편

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해결책은 실리콘 음극재와 CNT 도전재

지난 편에서 보았듯이 주행거리 및 충전속도 개선이 전기차 시장의 확대를 위해 중요한 과제입니다. 주행거리 향상을 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 하고, 충전시간 단축을 위해서는 음극재가 리튬 이온을 더 빠르게 저장할 수 있어야 합니다. 현재 업계 내에서 주행거리 및 충전속도를 개선을 위해  거론되는 소재는 1. 하이니켈 양극재, 2. 실리콘 음극재, 3. CNT 도전재입니다. 다만, 하이니켈 양극재는 기술적 한계에 도달하였기 때문에, 이제 도입초기로 성장성이 높은 실리콘 음극재와 CNT 도전재에 논의를 집중하고자 합니다.

 

1. 하이니켈 양극재

배터리에서 에너지를 생성하는 부분이기 때문에 에너지 용량 향상을 위한 초기 연구는 양극재를 중심으로 진행되어 왔습니다. 양극활물질에서 니켈의 함량을 높이는 방법으로 에너지 밀도를 향상시켜, 현재는 니켈의 함량이 80%를 넘는 '하이니켈' NCM 및 NCMA가 상용화되어 있습니다. 에코프로비엠의 경우 제품 포트폴리오가 하이니켈 양극재로만 구성되어 있을 정도입니다. 그러나 다음의 이유로 니켈 함량 확대 바탕의 양극재 개선만으로는 소비자의 Needs를 충족시키기 어려울 것으로 판단됩니다.

 

(1) 용량밀도 상승의 유한성 : 현재 상용화된 양극재의 니켈 비중이 이미 90% 이상이며, 100%에 더 가까워진다고 해도 큰 폭의 성능 개선은 어렵습니다.

(2) 충전시간의 제약 : 하이니켈 양극재 탑재를 통해 배터리 용량 증가가 계속 이뤄질 경우 증가 용량만큼 충전시간이 늘어날 수밖에 없습니다.

(3) 안정성 저하에 따른 배터리 수명 감소 : 니켈 이온 자체의 반응성이 높아 전해액과의 부반응(Side Reaction)이 일어나게 되는데, 그 과정에서 양극재 수명이  줄어듭니다. 특히, 니켈 함량이 80% 이상일 때 이런 현상이 가속화되어 하이니켈 양극재에서 수명 감소는 불가피합니다. 다만, 현재 상용화된 다결정 양극재보다 부반응이 적은 단결정 양극재를 사용하면 수명 단축 폭의 감소를 기대할 수는 있습니다. 포스코퓨처엠은 '25년 LG에너지솔루션(얼티엄셀즈 향) 단결정 양극재의 양산을 위해 포항 공장의 2-2단계 4.6만 톤 증설을 진행하고 있습니다.

 

2. 실리콘 음극재의 장점

양극재에서 높은 에너지를 생성하더라도 이를 저장하는 음극재가 균형 있게 받쳐주지 않는다면 효율성이 떨어질 수밖에 없습니다. 그래서 최근에는 배터리의 성능을 개선하기 위해서 음극재 소재에 대한 연구개발이 활발합니다. 차세대 음극재 소재로 실리콘이 검토되고 있는데, 실리콘 첨가를 통해 음극재의 리튬 저장 능력 및 전위 개선을 기대할 수 있습니다.

 

(1) 높은 리튬 저장 능력 : 높은 리튬 저장 능력은 음극재의 단위당 용량과 충전 속도에 직접적으로 영향을 줍니다. 기존 음극재 물질인 흑연(Graphite)은 리튬 이온과 6:1로 결합하는데 반해 실리콘은 리튬 이온과 4:15로 결합합니다. 흑연은 원자 1개는 리튬 이온 0.17개와 결합하는 반면, 실리콘 원자 1개는 리튬 이온 3.75개와 결합할 수 있으니, 이론적으로는 실리콘의 리튬 저장능력이 흑연보다 22배 높습니다. 이것은 높은 단위당 용량(실리콘 4,200mAh/g vs. 흑연 372Ah/g) 및 빠른 충전 속도로 이어집니다.

 

리튬 이온과 결합한 흑연과 실리콘의 분자 구조도(출처 : 하나증권)

현재는 실리콘이 흑연을 완전 대체는 못하고, 실리콘 산화물 또는 실리콘-탄소 복합체 형태로 5~10wt% 첨가하는 것이 상용화되어 있습니다. 음극재의 단위당 용량이 5wt% 첨가 시 12%, 10wt% 첨가 시 23% 향상된다고 추정됩니다. 더불어, 실리콘 음극재를 사용하면 필요로 하는 음극재 양(무게)을 줄일 수 있고, 그만큼 양극재 탑재량을 늘릴 수 있어 배터리 용량을 기존 대비 20%까지 높일 수 있다.

 

(2) 낮은 작동 전위 : 배터리 용량은 양극재, 음극재의 단위당 용량뿐 아니라, 양극과 음극의 전위차에 따라 결정됩니다. 양극의 전위가 높고, 음극의 전위가 낮을수록 배터리 용량이 높아집니다. 차세대 음극재 후보 물질로는 거론되는 산화주석, 알루미늄 등 대비 실리콘의 작동 전위가 낮아서 상용화 속도가 제일 빠르다. 

 

3. 실리콘 음극재의 한계

하지만 실리콘은 기술적 한계도 분명하게 존재합니다. 제일 큰 문제는 부피 팽창(Swelling) 현상입니다. 충전 시 리튬 이온이 음극에 저장되는 과정에서 음극의 부피가 팽창하는 현상이 발생합니다. 부피 팽창 정도가 흑연이 10~20% 이지만, 실리콘은 4~5배 수준입니다. 실리콘이 이렇게 많이 팽창하는 이유는 흑연보다 더 많은 리튬 이온을 저장하기 때문입니다. 문제는 반복적 부피-수축으로 인해 음극재 구성요소 간의 전기적 분리, 리튬 이온 이동의 제한 등 발생하고, 이는 배터리의 에너지 용량 감소 및 수명 단축으로 이어집니다.

 

부피 팽창 이슈를 해결하기 위해 업계에서는 실리콘을 산화물 또는 탄소 복합체 형태로 사용하고, 이를 흑연계 소재에 소량(5~15wt%) 첨가하는 방식으로 사용하고 있습니다. 현재는 실리콘 산화물과 실리콘-탄소 복합체 각각의 장·단점이 확실해서 어떤 기술이 더 우위에 있다고 말하기는 어렵습니다. 나노미터 크기 실리콘을 실리콘 산화물로 감싸는 방법은 초기 에너지 용량이 높고, 부피 팽창 정도가 낮은데 반해, 탄소 복합체는 초기 충방전 효율 및 가격경쟁력이 우수합니다. 리포트에서는 "현실을 반영한 실리콘 산화물', "실리콘 본연의 목적에 집중한 실리콘-탄소 복합체"라고 표현하고 있습니다. 

 

실리콘 음극재 기술별 특성 요약(출처 : 하나증권)

 

4. CNT 도전재

CNT(Carbon Nano Tube)는 전기전도도가 구리의 약 1,000배, 열전도도가 다이아몬드의 약 2배, 인장강도가 강철의 약 100배인 물성이 우수한 소재입니다. CNT 도전재는 그동안 양극재를 위주로 사용이 되어왔습니다. 하지만 CNT 도전재가 실리콘 음극재의 부피 팽창 현상을 억제할 수 있기 때문에 음극재에도 첨가될 수 있습니다.

 

CNT 도전재의 역할 및 효과를 이해하기 위해서 양극재와 음극재의 주요 소재에 대해서 알아야 합니다. 양극재, 음극재는 양극, 음극활물질, 도전재, 바인더 및 각종 첨가제로 구성이 됩니다. 전극은 이 소재들을 잘 혼합하여 극판(양극은 동박, 음극은 알루미늄박) 위에 도포한 후 건조시키는 방법으로 제조합니다.

 

양극에서 도전재는 아주 소량만 사용되지만 배터리의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 합니다. CNT는 현재는 도전재로 사용되고 있는 카본블랙 대비 전도성이 높아 적은 양으로도 동일한 효과를 낼 수 있기 때문에 도전재 사용량을 기존 대비 20% 수준으로 줄일 수 있습니다. 또한, CNT는 응집하는 현상이 있어 바인더의 역할도 일부 담당할 수 있기 때문에 고가인 기존 바인더의 사용량도 줄일 수 있습니다. 결론적으로, CNT 도전재 사용으로 남는 공간에 양극활물질을 더 채울 수 있어 에너지 밀도를 개선할 수 있으며, 원재료비 절감도 기대할 수 있습니다.

 

음극에서도 양극과 동일하게 CNT 도전재는 에너지 용량을 높이고 배터리 효율과 성능을 높여주는 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 하지만, 실리콘 음극재를 추진하는 방향으로 연구개발이 진행되면서 인장 강도가 우수한 CNT가 실리콘 음극재의 부피 팽창 현상을 억제해 줄 수 있다는 사실이 더욱 부각되고 있습니다.

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이번 포스팅에서는 배터리 셀 레벨에서 실리콘 음극재 및 CNT 도전재 사용의 당위성에 대해서 알아보았습니다. 실리콘은 리튬 이온을 저장하는 능력이 우수하기 때문에 배터리 에너지 용량 및 충전 속도 개선에 기여할 수 있습니다. 하지만 실리콘은 구조적 안정성이 낮아 충전 시 부피 팽창 현상이 발생하는데, CNT 도전재가 이를 억제할 수 있는 역할을 하여 실리콘 음극재와 함께 사용될 것입니다. 다음 편에서는 각 소재의 시장 현황 및 전망에 대해서 확인해 보겠습니다.