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첨가제
첨가제(Additive)는 제품 생산 과정에서 추가하는 소량의 약품, 물질의 총칭이다. 주 재료가 아닌 어디까지나 부수적으로 들어가는 것이기에 첨가(添加)라는 단어를 쓴다. 첨가제의 목적은 매우 다양하지만, 대부분은 주 재료의 품질 향상이나 안정성 유지 차원에서 쓰인다.
전기차 배터리 첨가제는 2차전지 기본 구성요소인 양극재, 음극재, 전해액에 특정 소재를 첨가해 성능을 개선시키는 방식이다. 배터리 성능을 높이기 위한 하이니켈 배터리 이용이 늘고 있어 배터리 안정성을 높일 수 있는 첨가제의 중요성은 더 커지고 있다. 첨가제 종류는 크게 3 가지로 구분할 수 있는데, 음극재에서 에너지 용량을 높일 수 있는 실리콘 음극활물질이 가장 첫 손에 꼽힌다. 기존 흑연 소재에 실리콘 음극활물질을 5~10wt%로 첨가할 경우 음극재의 에너지 밀도 향상, 충전 속도 단축 등의 효과를 기대할 수 있다.
CNT 도전재에도 관심이 집중되고 있다. 양극재에서는 기존 도전재인 카본블랙을 대신해 CNT를 사용시 전자이동도가 높아 도전재 사용량을 1/5 수준으로 줄일 수 있다. 따라서 동일 부피 내에서 도전재 사용량을 줄이고 양극활물질을 더 많이 투입할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다.
음극재에서는 실리콘 음극활물질과 연관성이 높다. 실리콘 음극활물질은 기존 흑연 소재에 비해 부피 팽창이 크기 때문에 많은 문제가 발생할 수 있다. 이 때 CNT 도전재가 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 사용된다.
마지막으로 전해질 및 전해액 첨가제이다. LiPF₆ 와 함께 일반적으로 같이 사용되는 전해질은 LiFSI 및 LiPO₂F₂이며, LiPF₆와 병행해서 사용됐을 시 배터리 수명 향상 및 저온 성능 개선의 효과를 기대해 볼 수 있다.[1]
실리콘 음극재
하이니켈계 배터리를 장착한 전기자동차가 증가할수록 용량 증가로 인한 빠른 충전을 가능케 하는 실리콘 음극재 비중이 높아지고 있다. 현재는 대주전자재료㈜의 포르쉐 타이칸이 유일하다. 2019년 세계 최초로 폭스바겐 전기 스포츠카 포르쉐 타이칸 배터리에 탑재됐다. 흑연 95 : 실리콘 5 비율 => 실리콘 비율 10% -> 15% 점점 높아짐에 따라 ASP 하락방지 및 실리콘 음극재 채용이 늘 전망이다. 배터리는 ㈜엘지에너지솔루션(당시 ㈜엘지화학)이 만들었다. 타이칸을 통해 실리콘 음극재의 성능이 확인되면서 더욱 각광 받기 시작, 차세대 음극재로 실리콘 음극재 확보에 뛰어드는 모습이다. 대주전자재료㈜는 LG와 협력 확대 및 글로벌 전기차 업체로부터 러브콜을 받고 있으며, 국내 대표적인 음극재 업체인 ㈜포스코케미칼도 실리콘 음극재 개발을 추진 중이다. 이 외 FIC신소재, 에너베이트, 네오배터리 등도 실리콘 음극재 시장에 도전하고 있다. 또 에스케이머티리얼즈㈜는 미국 음극 소재 기업 '그룹14테크놀로지(이하 그룹 14)'와 합작사(가칭 SK 머티리얼즈 그룹14)를 설립한다고 2021년 7월 21일 밝혔다.[2]
㈜한솔케미칼도 2차전지 소재사업의 다각화를 위해 삼성SDI㈜와 손잡고 2023년 상용화를 목표로 실리콘 음극재 개발에 뛰어들었다. ㈜한솔케미칼이 생산할 실리콘 음극재는 삼성SDI㈜가 배터리에 탑재하게 되는데 ㈜삼성케미칼에 실리콘 음극재의 생산기술을 이전할 것으로 알려졌다.
실리콘 음극재는 크게 실리콘 산화물(대주전자재료)과 실리콘카본(한솔케미칼)로 나뉜다.
음극재에서는 실리콘 음극활물질의 부피 팽창이 크기 때문에 탄소나노튜브(CNT) 도전재가 실리콘 음극재의 팽창을 잡아주는 보완재로서 사용된다. 부피 팽창을 막아주기 위해 사용되는 음극재용 CNT도전재는 용해도가 상당히 낮은 물에 분산해 사용하게 되는데 기술적으로 난이도가 높아 현재 이를 상용화한 업체는 전 세계에 나노신소재가 유일하다.
CNT 도전재
양극재에서는 기존 도전재인 카본블랙을 대신해 CNT를 사용 시 전자 이동도가 높아 조전재 사용량을 1/5 줄일 수 있다. 그래서 동일 부피 내에서 도전재 사용량을 줄이고 양극활물질을 더 투입할 수 있어서 에너지 밀도를 높일 수 있다. CNT도전재는 양극재용의 경우는 LG화학과 나노신소재가 생산 중이다.[3]
전해액 첨가제
전해액은 염, 용매, 첨가제로 구성되어 있다. 첨가제는 특정한 목적을 위해 소량으로 첨가되는 물질로써 양극이나 음극 표면에 보호막을 형성하는 역할을 한다. 리튬이 양극과 음극 사이를 원활하게 이동할 수 있도록 도와주고 배터리의 성능이 악화되는 것을 방지하는 핵심적인 역할을 수행한다. 첨가제는 양극용과 음극용으로 나눌 수 있는데, 양극 보호 첨가제는 양극의 구조를 안정화시키거나 표면을 보호해 열화를 억제하면서 발열을 개선시키거나 과충전을 방지하는 역할을 한다. 음극용 첨가제는 용매보다 먼저 분해되어 음극에 튼튼한 막을 형성하고 수명을 향상시키며 발열을 줄이거나 배터리 용량을 유지하는 역할도 하고 있다. 이러한 양극용과 음극용 첨가제 모두 전해액 용매에 잘 녹고 화학적으로 안정성이 있어야 한다는 공통점을 가지고 있는데, 고객이 요구하는 스펙이나 목적에 따라 각기 다른 첨가제를 사용한다.
첨가제는 전해액에서 차지하는 절대적인 함량은 적지만 수명 개선, 고온특성 개선, 저항 감소 등의 역할을 통해 전해액 전체 시스템에서 핵심적인 역할을 수행한다고 볼 수 있다. 하지만 전고체 기술을 도입하고 상용화되면 전해액 첨가제 시장은 크게 위협 받는다.
㈜천보는 배터리 소재 중 전해액 첨가제 분야에서 세계적 경쟁력을 갖췄다는 평가를 받고 있다. 천보는 2013년 배터리 첨가제 연구 개발을 시작해 2017년 전해액 첨가제인 LiFSI(F전해질)를 세계 최초로 양산하는데 성공했다. 이후 LiPO₂F₂(P전해질), LiBOB(B전해질), LiDFOP(D전해질) 생산 시설을 갖추며 2차전지 전해액 첨가제 생산 기업으로 변신하는 중이다.[4] [5]
㈜켐트로스도 2차전지 전해액 첨가제를 생산하고 있다. 켐트로스는 리튬 테트라플루오로(옥살라토)인산염의 제조방법의 특허권을 취득했으며 이 특허는 2차전지 전해액 첨가제 제조방법 중 고온안정성에 효과가 탁월한 LTFOP를 제조하는 방법에 관한 것으로 전해액에 첨가하여 전지의 급발열을 방지하므로써 전지의 안정성을 향상시키는 물질의 제조 방법이다. ESS, EV용 리튬이온 2차전지 전해액에 첨가하여 전지의 안정성 및 수명을 향상시킬 수 있다.[6]
동영상
각주
- ↑ 김진성 기자, 〈2차전지 시장, 첨가제 비중이 높아진다〉, 《산업일보》, 2020-07-09
- ↑ 윤건일 기자, 〈'몸값 높아지는 실리콘 음극재'…합작사 설립·공급 확대 등 경쟁 가열〉, 《전자신문》, 2021-07-20
- ↑ 오늘, 〈실리콘 음극재시장이 열린다, 대주전자재료 한솔케미칼 선점 속도 붙여〉, 《네이버블로그》, 2021-01-18
- ↑ 〈리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’〉, 《삼성SDI》,
- ↑ 김사무엘 기자, 〈배터리에 '마법의 가루'를…주가 70% 급등한 천보의 비결〉, 《머니투데이》, 2020-08-31
- ↑ 백청운 기자, 〈켐트로스, 2차전지 전해액 첨가제 관련 특허권 취득…“전지수명 향상시킬 것”〉, 《핀포인트뉴스》, 2021-01-26
참고자료
- 김진성 기자, 〈2차전지 시장, 첨가제 비중이 높아진다〉, 《산업일보》, 2020-07-09
- 리튬이온을 위한 베스트 드라이버 ‘전해액’〉, 《삼성SDI》
- 김사무엘 기자, 〈배터리에 '마법의 가루'를…주가 70% 급등한 천보의 비결〉, 《머니투데이》, 2020-08-31
- 백청운 기자, 〈켐트로스, 2차전지 전해액 첨가제 관련 특허권 취득…“전지수명 향상시킬 것”〉, 《핀포인트뉴스》, 2021-01-26
같이 보기
