음극재 관련주 및 종류 실리콘음극재 자세히 알아보기

이차전지에 대해 공부하다보면 양극재,음극재,분리막,전해액에 대해서는 꼭 알고 넘어가야한다.지난번 양극재를 공부한후 음극재가 궁금했었는데 오늘은 음극재 관련주 및 특징 실리콘음극재에 대해 알아볼까 한다.

음극재 란?

양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 음극재라고 한다.이차전지는 리튬이온배터리로, 리튬이온이 양극에 있다면 방전된 상태이고 음극에 모여있다면 충전된 상태라고 볼 수 있다. 핸드폰의 배터리도 리튬이온배터리인데 완충표시가 떴을때 "리튬이온들이 모두 음극으로 이동했군!" 이렇게 이해하면 쉽다.

핸드폰이 배터리가 다 나갔는데 급속충전이 된다면 참으로 편리하다. 반대로 충전하는데 시간이 걸리면 성격급한 대한민국 사람들은 안절부절 못한다.ㅋㅋ 충전이 되는 상황은 리튬이온이 양극에 있다가 음극으로 이동하는 것을 말하는데 음극재는 배터리의 충전속도와 매우 밀접한 관련이 있고 수명과도 연관이 있다.

양극재는 하이니켈을 개발하고 원가가 비싼 코발트를 최대한 줄이거나 안쓰려는 코발트프리 등 기술적인 부분에서 거의 완성된 단계라고 볼 수 있는데 음극재는 충전속도를 줄여야하며, 배터리의 팽창을 막기 위해 많은 연구과 기술,시간이 필요한 분야다.

음극재 종류

음극재는 주로 흑연이 사용된다. 흑연? 어디서 많이 들어봤을것이다. 까만 연필심, 그것이 바로 흑연인데 중국,북미대륙,아프리카 등 흔하게 구할 수 있고 가공할 수 있기에 흑연이 주로 사용된다.흑연의 분자구조를 보면 거의 탄소로 되어 있는데 3개의 탄소원자들이 결합한 "층상구조"로 되어 있다. 탄소들이 층층이 쌓여있기 떄문에 이 사이로 리튬이온이 저장되는 원리다. 흑연은 가공방법에 따라 천연흑연,인조흑연이 있는데, 최근에는 안정성과 충전속도를 줄일수 있는 실리콘음극재를 개발하려는 움직임이 엿보인다.

1.천연흑연 :광산에서 흑연을 채취하고 불순물을 제거한다. 여기에 표면을 가공하면 "구상흑연"이 만들어진다. 구상흑연을 모두 사용할 수 있으면 좋은데 약 35%만 사용가능하며 여기에 카본코팅 후 열처리를 가하게 되면 음극재로 사용할 수 있는 천연흑연이 만들어진다.

천연흑연은 탄소원자 6개당 리튬이온 1개를 저장할 수 있고 용량이 크기도 하고 안정적이고 출력도 우수하다. 가격까지 저렴해서 매우 매력적인데 리튬의 이동경로가 두 곳뿐이라 충전속도가 느리다는 단점이 있고 배터리가 뚱뚱하게 부푸는 "스웰링현상"이 발생할 수 있어 수명이 낮은편에 속한다는 치명적인 단점이 있다. 싼게 비지떡이란 말은.. 이차전지에서도 똑같이 적용되나보다.

2.인조흑연 : 인조흑연을 만드는데에는 "콜타르"가 절대적으로 필요하다. 콜타르는 철을 만드는데 필요한 원료탄을 덩어리 형태의 코크스로 만드는 과정에서 발생하는 부산물이다. "철"이라는 원재료가 있어야 만들 수 있는데 우리나라에서 철을 가공하는 업체는 대표적으로 포스코그룹이 있다.

다시 콜타트로 돌아와서 콜타르를 활용해 "침상코크스"를 만든다음, 3천도 이상에서 열처리 과정등을 거쳐 인조흑연 음극재를 만든다. 인조흑연은 천연흑연보다 분자구조가 단단하여 충전속도가 빠르고 배터리가 부푸는 스웰링현상이 생길 가능성도 낮다. 출력또한 우수하지만 용량이 작고 가격이 비싸다는 치명적인 단점이 있따. 역시.. 좋은건 비싸구나? 싶다.

3.실리콘음극재 : 최근 이차전지 음극재에서 실리콘음극재를 택하는 기업들이 늘고 있다. 특히 테슬라는 4680배터리를 선택했는데 하이니켈양극재+실리콘음극재 조합으로 알려져있다.

실리콘은 사막의 모래인데 흔하고 양이 굉장히 많아서 값도 저렴하고 친환경적인 재료 중의 하나이다.배터리용량을 늘리기 위해 하이니켈양극재 사용이 많아지고 있는데 니켈 비중이 높으면 양극에서 방출되는 리튬이온의 속도가 강도가 강해 이를 받아줄 음극재가 필요하다. 흑연은 탄소분자 구조상 하이니켈 양극재의 용량을 받아들이기 어렵지만 이것을 해결할 수 있는것이 바로 실리콘을 첨가하는 것이다. 

흑연이 탄소6개당 리튬이온 1개를 포집한다면 실리콘음극재는 탄소4개당 리튬이온을 15개정도 포집할 수 있기에 충전시간을 단축시킬 수 있는 능력을 갖추게된다.전기차가 상용화가 되려면 충전시간을 최대한으로 줄여야하는데 실리콘음극재를 사용하면 충분히 줄일 수 있다는 것. 그런데 실리콘을 첨가하면 문제가 되는것이 있으니 바로 스웰링현상을 피해갈 수 없다는 것이다.배터리가 부푸는 스웰링현상은 배터리 수명 및 안전상의 이유로 반드시 잡아야하는 문제인데 현재 최대 5% 정도까지만 첨가 가능하다고 한다. 5%는 부족하고.. 8% 이상은 첨가해야 충전시간을 효율적으로 늘릴 수 있기에 앞으로 많은 연구가 필요한 시점이라고 하겠다.

음극재 관련주

실리콘음극재는 실리콘산화물 SiO , 실리콘 탄소 복합체 Si-C 로 분류할 수 있는데 SiO는 수 나노미터 크기의 실리콘과 탄소와 수소로 구성된 분말이고, Si-C는 수십 나노 크기의 실리콘과 탄소가 혼합된 분말이다.

1.대주전자재료 : 앞서 말한 실리콘음극재를 생산하고 연구하고 개발하는 곳은 "대주전자재료" 가 있고 SiO 제품을 다룬다.2010년 중반부터 lg에너지솔루션과 이차전지용 실리콘음극재를 연구하였고 대주전자재료가 SiO 물질을 전달하면 LG에너지솔루션에서는 흑연과 섞는 방식으로 제조하였고 이것을 포르쉐 타이칸 차량에 장착하였다. 올해에는 마세라티의 그란투리스모폴고레 차량에도 탑재될 예정이다.

현재 실리콘음극재의 실리콘함량은 5%인데 8%~10%까지 증가시킬예정인데 실리콤함량이 늘어날수록 에너지 밀도가 높아지고 충전속도도 빨라진다.

2.포스코퓨처엠 : 앞서 인조흑연을 만들기 위해서는 침상코크스와 콜타르가 필요하다고 했다. 포스코퓨처엠에서는 독자개발한 저팽창 천연흑연음극재를 생산하는데  천연흑연과 인조흑연의 단점을 보완하여 스웰링현상을 감소시키고 수명도 좋고 출력도 우수해 GM,LG에너지솔루션의 얼티엠셀즈에 공급하고 있다. 음극재 관련주로 손꼽히지만 양극재도 동시에 생산하는 기업이라 성장성이 기대되는 기업 중 하나이다.

대주전자재료와 포스코퓨처엠 외에도 음극재 관련기업으로 SKC카본,한솔케미칼 등이 있는데 관련 기업에 대해서는 좀 더 공부할 시간이 필요하여 짧게 이름만 언급하였다.

지금까지 음극재 종류와 실리콘음극재, 관련주에 대해 알아보았다. 내연자동차에 기름을 넣을때에는 1분~2분의 짧은 시간이면 충분하지만 전기차는 충전시간이 길어 대중화 되기까지 꽤 오랜시간이 걸릴것으로 예상된다. 2035년 쯤에는 전기차가 전체 생산량의 절반을 넘을거라고 하지만 그 전에 더 빨리 기술이 개발되어 안정성은 높이고 충전시간을 줄이는 배터리가 개발되었으면 좋겠다.