2차전지 산업 공부 #6 - 리튬 이온 배터리 소재 - 도전재

 

• 아래는 현재 작성 중인 기업 분석 연습 및 개인의 공부 목적으로 작성 중인 보고서의 일부분이며 매주/매도 추천이 아님을 밝힙니다.
• 비전공자이기 때문에 내용이 정확하지 않을 수 있습니다

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https://20200818.tistory.com/24

2차전지 산업 공부 #3 - 리튬이온배터리#1

https://20200818.tistory.com/25

2차전지 산업 공부 #4 - 리튬이온배터리#2

https://20200818.tistory.com/26?category=884100 

2차전지 산업 공부 #5 - 리튬 이온 배터리 소재 - 양극재(양극 활물질)

 

위 공부한 것에 이어서 오늘은 도전재

 

도전재(Conductive additive 또는 Conductive Agent)

도전재는 영어로 Conductive Additive로 conductive 전도성 + Additive 특정 효과를 내게 첨가하는 물질을 합친 말로 특정 대상을 전도성을 생기게 만드는 첨가제이다. 도전재 자체도 전기전도성을 갖고 있다.

 

리튬이온배터리은 기본적으로 양극과 음극 사이를 리튬 이온(Li+)과 전자(e-)가 왔다 갔다 하면서 동작하지만 양극 활물질과 음극 활물질 자체는 전기전도성이 낮은 물질이기 때문에 양극과 음극의 합제를 제조할 때 활물질에 도전재, 바인더를 추가하여 믹싱 하여 제조한다.

출처 : 에스에이티

 

 

 

다음은 LG화학 특허(출원번호 : 1020180017594) “도전재로서 탄소나노튜브를 적용한 전극의 제조방법, 이에 의해 제조된 전극 및 이 전극을 포함하는 이차전지” 중 도전재에 관한 설명이다. 도전재 사용 목적 및 이유가 상세하게 설명되어있다.

 

일반적으로, 리튬 이차전지는 전극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극과 카본계 활물질을 포함하는 음극 및 분리막으로 이루어진 전극 조립체에 리튬 전해질이 함침 되어 있는 구조로 이루어져 있다. 통상적으로, 양극은 리튬 전이금속 산화물을 포함하는 양극 합제를 알루미늄 호일 등의 집전체에 코팅 및 건조하여 제조되며, 음극은 카본계 활물질을 포함하는 음극 합제를 구리 호일 등의 집전체에 코팅 및 건조하여 제조된다.

일반적으로 고밀도 전극은 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 크기를 갖는 전극 활물질 입자를 고압 프레스에 의해 성형하여 형되므로, 입자들이 변형되고 입자들 사이에 공간이 감소되며, 전해액 침투성이 저하되기 쉽다.

이 같은 문제를 해결하기 위해, 전극의 제조 시 우수한 전기전도성과 강도를 갖는 도전재를 사용하고 있다. 전극 제조 시 도전재를 사용할 경우 상기 도전재가 압축된 전극 활물질 사이에 분산됨으로써 활물질 입자들 사이에 미세기공을 유지하여 전해액의 침투가 용이하며, 우수한 전도성으로 전극 내 저항을 감소시킬 수 있다.

 

도전재는 전기전도성의 목적에 추가로 활물질 입자들 사이의 미세기공을 유지하기 위한 목적으로도 사용되어 고압 프레스 성형에도 견딜 수 있는 높은 강도의 물질이라는 것을 알 수 있다.

 

지금까지 도전재는 주로 카본블랙이 많이 사용되며 전도성 흑연(Conducting graphite), CNT(탄소나노튜브)와 같은 다양한 탄소 재료가 개발 중이며 LG화학 특허에서도 알 수 있듯이 앞으로는 CNT도전재가 주를 이룰 전망이다.

 

출처 : 하이투자증권

 

음극의 경우 활물질이 흑연으로 탄소계인데 도전재를 사용하는 이유는 충·방전을 진행함에 따라 음극 활물질이 리튬 이온과 반응하면서 전자 전도 통로가 불안정해지는 경우가 있기 때문에, 이를 보완하기 위한 별도의 도전재를 추가로 포함해야 한다고 한다.

 

기존 도전재 대비 CNT의 장점은 아래와 같다. 가격은 카본 블랙보다 비싸다. 

• 도전재 양 감소
• 바인더 양 감소
• 높은 강도
• 실리콘 음극재 팽창 억제

도전재 양 감소

CNT도전재는 선 형태로서 적은 양으로 전도성이 높다. 양극재, 음극재의 합성 조성 비율(도전재:활물질:바인더)는 양극은 2:96:2, 음극은 1:95:4 이다.

 

출처 : 미래에셋대우

출처 : 하이투자증권

 

그럼 양극재의 경우 혼합 비율은 도전재 0.4: 활물질 98이상: 바인더 1로 단순 계산할 수 있다. 활물질의 양이 증가한다는 것으로 양극 활물질의 용량을 결정하는 니켈의 양을 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다. 또한 양극 활물질의 개선 방향인 하이 니켈과 맥을 같이 한다.

 

바인더 양 감소

 

활물질과 도전재는 접착성이 낮아 접착제 역할을 하는 바인더를 섞어 주는데 CNT도전재는 기존 도전재보다 결착력이 높아 고가의 바인더의 양을 감소시킬 수 있다. 기존 도전재보다 CNT도전재가 더 비싸지만 더 고가인 바인더의 양을 감소시킬 수 있어 배터리 용량을 증가시킬 수 있으면서 원가 또한 절감하는 효과를 기대할 수 있다.

 

높은 강도

 

위 LG화학 특허의 설명에 나와있었던 것처럼 도전재는 높은 강도 또한 요구된다. 기존 카본 블랙에 비해서 CNT가 더 높은 강도를 지니고 있어 고전압, 고속 충전에도 유리하다. 아직까진 양극 활물질을 통한 주행거리 증가에 초점이 더 맞춰져 있으나 고속 충전 또한 반드시 해결해야 하는 전기차 문제 중 하나로서 CNT 도전재의 필요성이 더 부각되는 것이라 생각한다.

 

실리콘 음극재 팽창 억제

 

음극재의 음극활물질은 흑연에서 실리콘 음극활물질로 점차 바뀔 것으로 예상된다. 실리콘 음극재의 경우 충전시 팽창의 문제가 있는데 음극재에 적용되는 CNT도전재가 이 문제를 억제하여 안정성을 향상하기 때문에 중요성이 더욱 부각될 것으로 전망되고 있다.

출처 : 하이투자증권

 

하이투자증권 리포트에 따르면 2025년 실리콘 음극재 시장은 3.4조원, CNT도전재 시장은 2.3조원까지 성장할 것으로 예상하고 있으며 CNT도전재 시장은 2021F 222억에서 2025F 23085억으로 대략 104배 성장할 것으로 전망하고 있다. (비 테슬라 기준)

 

출처 : 하이투자증권 + 개인 주석

Note

CNT를 리튬이온배터리의 도전재로 적용하기 위해서 가장 중요한 부분 중 하나는 분산 기술이다. 이 부분은 아직 이해도가 낮아 본 글에선 제외하였다.