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[영상] 전기차 배터리 시장 확 뒤엎을 실리콘 음극재 기술, 어디까지 왔나
[영상] 전기차 배터리 시장 확 뒤엎을 실리콘 음극재 기술, 어디까지 왔나
  • 장현민 PD
  • 승인 2020.05.29 22:22
  • 댓글 1
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<자막원문>

한: 이수환 차장 모시고 배터리 음극재 얘기를 해보도록 하겠습니다. 안녕하십니까.

이: 안녕하세요. 이수환입니다.

한: 저희가 배터리 얘기를 할 때마다 항상 4가지를 얘기하잖아요? 양극재·음극재·분리막·전해질. 이제 외웠어요. 그중에 음극재 얘기를 해보려고 합니다. 음극재는 어떤 역할을 합니까?

이: 음극재는 우리가 양극에서 발생한 리튬이온들이 음극으로 이동을 하는 과정에서 우리가 전기를 쓸 수 있게 되는 거고요. 음극 안에서 이 음극이 리튬이온을 가두고 있게 되고 그러면서 배터리의 전반적인 수명과 안정성을 결정하는 역할을 한다고 보시면 되겠습니다.

한: 음극재는 뭘로 만들어요?

이: 음극재는 우리가 일반적으로 보통 배터리라고 그러면 ‘리튬이온배터리’를 대부분 생각을 하게 되는데. 요즘은 ‘리튬이온’이라는 말을 잘 안 쓰죠.

한: 다 그거니까요.

이: 대부분 그거니까. 리튬이온배터리에서 음극재의 가장 핵심이 되는 재료는 흑연입니다.

한: 흑연.

이: 연필심. 그 흑연입니다. 탄소 덩어리.

한: 그 공책에 연필로 쓰는 건 탄소 덩어리로 글자를 쓰는 거네요?

이: 네. 맞습니다.

한: 흑연으로 쓰면 양극재도 그렇고 양극재도 ‘NCM000’ 이런 식으로 비율도 바뀌고 그래서 성능을 높이는데 음극재도 그런 움직임이 있습니까?

이: 리튬이온배터리에서 음극재를 탄소를 쓰게 된 이유는 탄소의 구조가 굉장히 단단하거든요. 탄소 안으로 리튬이온이 흘러들어가게 되는데. 아무리 단단하다고 하더라도 다른 분자들이 와서 자기 몸을 공격을 하다 보니까 쓰면 쓸수록 어떤 탄소 구조가 무너지게 됩니다. 이 과정에서 배터리의 수명이 조금씩 줄어들게 되는데. 우리가 배터리를 오래 쓰게 되면 어느 순간에서부터 충전도 잘 안되고 짧게 방전이 되잖아요? 이게 다 음극에서 발생하는 문제 때문입니다. 그래서 많은 연구자들이 공부를 했죠. “탄소보다 더 좋은 재료는 없을까?”라고 해서 천연흑연도 있고 인조흑연도 있고 리튬메탈도 있고 리튬티타늄 화합물(LTO) 등. 여러 가지 소재를 썼는데. 흑연만한 재료가 없던 겁니다. 이렇게 저렴하게 캐서 쓸 수 있으면서 성능과 안정성을 답보할 수 있는 소재가 아직까지는 흑연이고. 리튬이온배터리가 처음으로 설계된 이후에 지금까지 흑연을 거의 대체를 하지 못했죠.

한: 계속 흑연만 쓰고 있다?

이: 거의 대부분 다 흑연만 썼죠.

한: 음극재의 어떤 특성에 따라서 말씀하신 내용을 들어보면 충전에 어떤 용량이라든지 그런 효율을 결정짓는 게 맞는 겁니까?

이: 맞습니다.

한: 아까 천연흑연을 얘기하셨는데. 인조흑연보다 천연흑연이 더 좋은 거예요?

이: 쓰이는 분야에 따라서 조금씩 다른데요. 천연흑연은 용량이 이론적으로 탄소가 담을 수 있는 용량이 그램당 정확하게 372밀리암페어(mAh)/g가 한계입니다.

한: 1그램에?

이: 더 늘리면 되겠죠. 근데 트레이드오프 관계가 있지 않습니까? 배터리 용량을 늘리면 무게가 무거워져서 모빌리티 기기나 전기차에서 굉장히 악영향을 끼치게 되고요. 근데 인조흑연 같은 경우는 용량은 더 적습니다. 한 250밀리암페어(mAh)/g 정도 되고요. 그램당. 그럼 뭐가 좋냐. 출력이 좋습니다.

한: 출력이?

이: 출력이 좋습니다. 그래서 출력이 좋아야 되는 전동공구라든가 순간적으로 출력을 줘야 되거든요. 그런데 쓴다거나. 또 단점은 가격이 좀 비쌉니다.

한: 인조흑연이 더 비싸요?

이: 가격이 좀 더 비싸고 그러니까 이제 용량은 작은데 가격은 비싸다 대신에 출력은 좋다. 이런 특성을 가지고 있는 게 인조흑연이고.

한: 그게 흑연이 어떻게 생겼습니까? 동그랗게 생겼습니까? 네모나게 생겼습니까?

이: 인조흑연은 우리가 코크스라는 물질에서 추출해서 만들게 되는데요.

한: 코크스가 뭐예요?

이: 마치 섬유로 치면 ‘인견’처럼 인견은 우리가 인조적으로 만든 인견 섬유를 뽑아내서 옷을 만들지 않습니까? 근데 이제 인조흑연에 전자현미경 사진을 보면 고슴도치처럼 삐죽삐죽 튀어나와 있거든요. 이걸 이제 잘 동그랗게 만들어줘서 인조흑연을 음극재로 사용할 수 있게 되는 거고요. 천연흑연 같은 경우도 비슷한 과정을 거치긴 하지만 아무래도 인조흑연보다는 상대적으로 덜 뾰족하죠. 매끈매끈한 편이고.

한: 말하자면 우리가 주먹밥을 만들 듯이 이런 식으로 다 뭉쳐서. 가격은 인조흑연이 더 비싸군요?

이: 인조흑연이 가격은 비싼데 용량은 더 작고 출력은 더 좋고.

한: 그러니까 쓰이는 곳은 전동공구처럼 한 번에. 보통 우리가 횟집을 가면 자연산이 좀 더 비싼데 여기는 반대네요.

이: 그렇죠. 근데 이제 맛을 표현하기에는 좀 다르긴 하겠지만 여하튼 흑연에서 크게 벗어나지는 못하는 상황이다 이렇게 보면 됩니다.

한: 1그램당 372밀리암페어(mAh)/g 그 이상은 안 나오는 겁니까? 이 흑연이라는 재료에서?

이: 탄소라는 분자가 가지고 있는 한계가 여기까지거든요. 이게 다입니다. 더 이상 늘릴 수가 없고요.

한: 그래서 요즘 얘기가 나오는 게 실리콘계 음극재 그렇게 얘기가 되는데. 실리콘계 음극재는 어떻게 되는거예요? 실리콘으로만 만드는 건가요? 아니면 흑연에 뭔가 실리콘을 얹는 겁니까?

이: 당연히 이제 순수하게 실리콘으로만 쓰면 좋을 텐데. 이 실리콘 안에 리튬이온이 왔다갔다. 아까 탄소에서 리튬이온이 왔다 갔다 하지 않습니까? 실리콘 규소는 쉽게 부서집니다. 탄소만한 게 없는거죠. 그래서 흑연에다가 섞는 겁니다.

한: 섞어서.

이: 섞어서 씁니다. “일부 얼마나 섞어서 쓰냐”, “효율이 얼마나 나오느냐” 이런 것들은 각 제조사마다 고유의 레시피들이라는 게 존재하고요.

한: 섞었을 때 그러면 그램당 372밀리암페어(mAh)/g보다는 훨씬 더 많아질 수 있겠네요.

이: 높아집니다. 섞으면 섞을수록 좋아집니다. 섞으면 섞을수록 용량이 더 커집니다.

한: 그럼 다들 실리콘계 음극재를 할 것 같은데요?

이: 효율이 확 떨어집니다. 수명이 줄어들 게 되는 거죠. 그러니까 아까 말씀드렸다시피 흑연이라는 걸 쓰게 된 이유 중에 하나가 싸고 구조도 단단하고 배터리의 수명을 오랫동안 쓸 수 있는 괜찮은 물질이었기 때문에 계속 쓴 거였거든요. 실리콘이 흑연보다 더 많은 에너지를 담을 수는 있지만 수명이 짧으면 무용지물이 되는 거죠. 적절히 섞어서 써야 되는 상황이 된 거죠.

한: 적절히 섞으면 수명도 늘리고 용량도 키울 수 있습니까?

이: 키울 수 있습니다.

한: 무지막지하게 넣으면.

이: 효율이 확 떨어지는 거죠. 수명도 줄어들게 되고요.

한: 그렇다고 한다면 천연흑연과 인조흑연에서 좀 진화한 어떤 재료가.

이: 실리콘계 음극재라고 보면 됩니다.

한: 지금 다 쓰고 있어요?

이: 웬만한 배터리 회사들은 다 쓰는데요. 오피셜하게 얘기한 적은 한 번도 없고요.

한: “우리가 씁니다”라고.

이: 쓴다고 얘기한 적은 없고 어쩌다 학회나 컨퍼런스때 얘기할지는 모르겠는데. 최근에 유명한 사건이 하나 있었거든요. 포르쉐라는 유명한 스포츠카 브랜드가 있고 거기서 최초의 전기차 ‘타이칸’이라는 걸 만들었고. 이 차가 엄청나게 비싸죠.

한: 불났잖아요 얼마 전에.

이: 충전중에 불이 났습니다. 충전할 때 우리가 음극에서 충전이 이뤄지게 되는데 그 음극에 LG화학이 쓴 실리콘계 재료를 댄 업체가 대주전자재료라는 회사였고요.

한: 그거는 공식적으로 얘기한 적은 없죠?

이: 얘기한 적은 없는데. 다 알고 계세요. 대주전자재료도 직간접적으로 인정을 했고 LG화학도 직간접적으로 인정을 하는데. 그래서 충전중에 불이 났으니까 음극이 계속 타격을 받을 거 아닙니까? 특히 타이칸이라는 차는 고속충전기능을 가지고 있어서 굉장히 음극 쪽에 타격이 많이 갔던 상황이었거든요. 불이 났을 때 LG화학이 대주전자재료 관계자를 긴급하게 회사로 소환해서 무슨 문제가 있는지 얘기를 했다는 얘기도 있습니다.

한: 국내에서는 LG화학 말고도 다른 배터리 회사들도 실리콘계 음극재를.

이: 삼성SDI도 쓰고요. SK이노베이션은 쓴다 안 쓴다 얘기가 나온 적은 없지만 R&D를 총괄하고 있는 대전 쪽에서 실리콘계 음극재에 많은 관심을 가지고 있고 오피셜하게는 미국의 유명 대학교 학자들과 같이 실리콘 음극재를 개발하겠다고 작년 정도였나요? 그때쯤 발표를 했던 걸로 기억이 납니다.

한: 삼성SDI는 그럼 어디서 받아서 씁니까?

이: 삼성SDI는 중국 쪽 B사에서 받는 걸로 얘기가 되어있고요.

한: ‘B’로 시작하는 회사죠?

이: B로 되어있는데 중국에 유명한 음극재 회사중에 B사와 S사가 유명합니다. 그 두 회사가 천연흑연이든 인조흑연이든 시장을 다 장악하고 있는 회사고요. 특히 인조흑연 같은 경우에는 일본, 중국 두 회사가 장악을 하고 있고 천연흑연은 중국이 완전히 장악을 하고 있는 상황입니다.

한: 일부 쓰고 있네요. 아주 많이는 아니지만 일부 조금씩 적용을 하고 있는 단계인 것 같네요.

이: 조금씩 적용을 하고 있는 단계라고 보고 있죠.

한: 중국에 그 회사 그리고 한국에 대주전자재료라는 회사하고 또 다른 기업들은 없습니까?

이: 일본에 신에츠라는 회사가 있는데 신에츠 워낙 유명하죠. 일본전자재료를 잘 하니까. 근데 신에츠 같은 경우에는 파나소닉에 제공을 하고 있는 걸로 알려져 있고요. 신에츠 외의 다른 회사들은 일단 효율문제 때문에 좀 제대로 공급을해서 판매하고 있는 회사는 그렇게 많지 않은 걸로 알려져 있습니다.

한: 지금 국내에 음극재. 그냥 실리콘 음극재 말고 음극재를 하는 회사 그 큰 회사 이름이 뭐죠?

이: 포스코케미칼이죠.

한: 거기는 음극재만 하는 거죠?

이: 작년에 회사합병을 통해서 음극재 사업과 양극재 사업을 하나로 합쳐서 포스코케미칼이라는 회사가 탄생을 했고요. 음극재와 양극재를 동시에 다 하는 회사입니다.

한: 음극재는 천연흑연과 인조흑연을 다 하는 거예요?

이: 다 합니다. 근데 지금은 천연흑연 공장만 가지고 있고요. 인조흑연은 앞으로 하겠다고 발표만 했습니다.

한: 아직 실리콘 음극재 쪽은?

이: 아직 손을 못 대고 있습니다.

한: 국내에 실리콘 음극재를 개발했다고 하는 작은 회사들도 있는 것 같던데요 보니까.

이: 국내에 엘피엔이라는 회사를 저희가 최근에 취재를 할 수 있게 됐는데요. 엘피엔이라는 회사는 원래 반도체, 디스플레이 재료를 하던 회사였는데. 실리콘계 음극재뿐만이 아니고 천연흑연 음극재를 효율적으로 생산할 수 있는 기술도 가지고 있더라고요. 굉장히 놀랐습니다.

한: 어떤 기술들을 갖고 있습니까?

이: 일단 첫 번째로 실리콘계 음극재가 두 가지가 있습니다. 실리콘도 종류가 여러 가지가 있지 않습니까? 옥사이드 계열이 있고 여기는 나이트라이드 계열입니다. 근데 지금 대주전자재료 같은 경우에는 옥사이드 계열을 쓰고 있고요. 여기는 나이트라이드 계열 음극재인데. 학계에서도 나이트라이드 계열 음극재에 대한 얘기가 거의 없었거든요. 굉장히 은밀하게 진행을 한 것 같고 듣기로는 특허 쪽도 다 안전하게 잠금장치가 되고 나서야 얘기를 한 것 같습니다.

한: 그게 지금 효율이 좋습니까?

이: 효율이 실리콘 옥사이드 계열보다 훨씬 더 좋다고 합니다

한: 아까 그램당 372밀리암페어(mAh)/g였는데 얘는 어느 정도였어요?

이: 5%를 섞었을 때 그램당 520밀리암페어(mAh)/g인데요. 옥사이드 계열하고 비교를 해보면 같은 5%를 섞었는데 옥사이드 계열은 400밀리암페어(mAh)/g였습니다.

한: 차이가 엄청나네요.

이: 그리고 효율도 옥사이드 계열이 한 90~92% 정도라고 얘기들을 하는데. 여기도 동급이거나 그 이상의 효율을 자랑하고요.

한: 그 결과는 그 회사가 주장하는 겁니까? 아니면 결과치가 나온 겁니까?

이: 결과치가 나왔습니다. 일단 중국에 국가공인기관과 국내에 대형 배터리셀 업체에 샘플을 보내서 테스트를 해달라고 했고요. 거기서 나온 테스트 결과가 아까 말씀드린 520밀리암페어(mAh)/g, 그램당. 이 수치가 나오게 된 겁니다.

한: 대단한데요?

이: 그전까지는 옥사이드 계열의 실리콘계 밖에 없지 않겠냐라고 생각을 했는데. 일단 대체재가 또 나와서 배터리셀 업체들이 관심을 안가질래야 안 가질 수 없는 상황이 됐어요.

한: 그 회사도 굉장히 유망해 보이네요.

이: 그 기술뿐만 아니고 천연흑연을 캘 때 중국에 흑룡강성에 아주 질 좋은 흑연이 매장이 되어있답니다. 근데 이 흑연을 음극재로 만드는 과정에서 버리는 게 굉장히 많거든요. 한 100이면 70 정도를 버립니다. 근데 버린 음극재를 다시 모아 모아 모아서 다시 음극재로 재활용할 수 있는 기술도 가지고 있더라고요.

한: 기존에는 다 버렸던.

이: 버립니다. 흑연을 광산에서 캐게 되면 거기서도 고순도만 골라서 음극재로 쓰게 되는데. 이 음극재를 우리가 ‘비드밀(Bead Mill)’이라고 그래 가지고 실리콘 볼을 큰 원통 안에 넣고 돌립니다. 데굴데굴 굴리면 흑연이 점점 작아지겠죠.

한: 마찰로?

이: 일종의 공업용 믹서기라고 보면 됩니다. 이걸 빼서 다시 작은 볼이 들어있는 많은 볼이 들어있는 데로 옮기고 옮겨서 아주 미세한 나노 분말 파우더를 가진 음극재를 얻게 되는데. 이 과정에서 공기 중으로 날아가는 것도 있고 바닥에 떨어지는 것도 있고 손에 묻는 것도 있고. 버리는 게 굉장히 많은데 이게 한 70% 정도를 버린 거죠. 이것들을 모아서 다시 고품질의 음극재로 만들 수 있는 재활용 기술도 엘피엔이 가지고 있다고 얘기를 합니다.

한: 그 회사는 그러면 지금 양산 일정이나 이런건 어떻게 돼요?

이: 일단 올해까지 파일럿 라인을 만드는 걸로 얘기가 됐고요. 가장 중요한 건 일단 천연흑연은 그렇다고 치더라도 실리콘 음극재 같은 경우에는 큰 대형시설이 아니더라도 조금만 만들어도 바로 셀에 적용할 수 있으니까. 2023년까지 연산 4만8000톤 규모의 공장을 짓겠다는 목표는 가지고 있었습니다.

한: 보시기에는 어때요? 실리콘 음극재가 앞으로 대세가 될 것 같아요?

이: 대세가 될 수밖에 없습니다. 물론 배터리 4대 핵심소재가 다 골고루 성장을 해야 되겠지만 가장 발전이 없었던 게 음극재였거든요. 흑연 외에 여기서 크게 벗어날 수가 없었는데. 흑연이 실리콘계 음극재로의 대체를 통해서 용량과 성능 안정성. 특히 수명 문제를 해결할 수 있으면 지금 전기차의 가장 큰 단점인 충전시간을 대폭 줄일 수 있게 되겠죠. 포르쉐 타이칸 같은 경우는 불과 15분에서 20분 만에 전체 배터리 용량의 80%를 충전할 수 있습니다.

한: 불났다면서요.

이: 근데 불이 나서. 불이 나긴 했지만 가야 될 방향은 맞습니다. 만약에 실리콘계 음극재가 큰 성공을 거둬서 용량도 키우고 안정성도 키우게 되면 5분 안에 급속충전 80%까지 충전할 수 있는 기술이 나오게 된다면 전기차 시장의 양상은 크게 바뀌게 되겠죠.

한: 오늘 여기까지 하겠습니다. 고맙습니다.



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김진만 2020-06-01 21:00:05
주식 투자 공부 때문에 각종 정보와 기사들을 챙겨봅니다. 하지만 대부분 책상에 앉아 보도자료 베껴쓴 것들이라 알맹이도 없고 기자 당사자도 이해하지 못했을 내용을 잔뜩 나열이나 하고 다 거기서 거기. 하지만 지난주에 알게 된 더 일렉 기사들을 보면서 보물창고를 발견한 기분! 특히 이수환 기자님이 발로 뛰어 얻은 생생한 내용과 전문적 정보는 남 주기 아까울 정도입니다. 전기차 투자에 집중하는 저에게는 황금덩어리 기사입니다. 감사하고 감사합니다^^

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