실리콘음극재

 

이번시간에는 실리콘음극재란 무엇인가와 관련회사를 알아보겠습니다.

 

 

 

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1. 실리콘 음극재란 무엇인가? 

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SI 음극재를 알아보기 전에, 배터리에서 음극재의 역할은 무엇일까요 입니다.한 줄로 말하면, 양극에서 이동한 리튬 이온의 저장소입니다. 

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배터리는 충방전 시, 리튬이온과 전자의 이동을 통해 전류가 흐릅니다. 충전 시, 양극에 있던 Li 이온이 음극으로 이동하여 저장이 됩니다. 이처럼 음극은 저장소의 역할을 하게 됩니다. 

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원래는 흑연계를 사용하고 있지만 SI계로 변화하고자 하는 움직임이 활발합니다. 왜냐하면 첫째, 적은 사용량에도 높은 용량을 구현하고 둘째, 양극재의 함량을 높이고 셋째, 덴드라이트 형성을 막기 위함입니다. 

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2. 음극재 구성 및 역할 

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앞서 실리콘 음극재가 필요한 이유를 알아보았습니다. 그럼 음극재는 SI 만으로 구성되어 있는 것일까요? 정답은 'No'입니다. 

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음극은 총 4가지 구성 물질로 이루어져 있습니다. 활물질, 바인더, 집전체와 도전재이죠. 

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활물질은 리튬 이온의 저장소 역할을 합니다. 예로 현재는 흑연이, 차세대 물질로는 SI계가 있습니다. 두 번째, 바인더는 집전체(기재) 위에 활물질을 코팅할 때, 활물질이 극판에 잘 코팅이 되도록 하는 역할입니다. 즉, 소재 간의 접착력과 분산성을 높이기 위해 사용됩니다. 예로 PVdf, SBR/CMC가 있습니다. 

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세 번째, 집전체입니다. 기재라고도 하며, 외부로 전자가 이동하는 통로입니다. 즉, 전자의 이동통로로 Cu 재질이 사용됩니다. 마지막으로, 도전재는 활물질 간의 저항을 줄이기 위해 사용됩니다. 따라서 낮은 저항이 요구되며 고농도로 적은 용량에도 높은 전도도를 보여주는 것이 좋습니다. 주로 carbon black, cnt가 사용됩니다. 

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활물질+바인더+도전재를 mixing 공정을 통해 슬러리(=합제)를 만듭니다. 이 슬러리를 집전체를 중심으로 위아래로 도포하는 공정을 통해 만들어진 것이 '음극판'입니다. 

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3. 왜 바인더가 중요할까?

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앞서 언급했듯이, 바인더의 역할은 1. 활물질 간의 접착력을 높이고 (높은 접착력) 2.기재 위에 도포 시, 코팅이 고르게 잘 도포되도록 하는 것입니다. (높은 분산성)

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출처 : 사진에 포함

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다만 활물질로 SI 계를 사용할 경우, 충방전 시 소재의 부피 팽창 및 수축 문제가 발생합니다. 이로 인해 전극이 열화되거나 박리에 의해 전지 수명에 악영향을 미치는 문제가 있습니다. 이처럼 부피 변화가 큰 고용량 활물질 사용에 따라 새로운 Binder가 필요합니다. 

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요구되는 특성은 다음과 같습니다. 먼저, 견고성입니다. 실리콘의 팽창에도 용해되지 않아야 합니다. 또한 전기화학적 상황(충방전)에서도 분해되지 않아야 합니다. 즉, 화학적-물리적 변화에도 균일한 밀도 제공해야 합니다. 

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둘째, 적은 사용량입니다. 적은 양으로도 이전과 같은 성능을 구현 가능하다면, 활물질의 비중을 높일 수 있습니다. 즉, 큰 용량의 저장소를 갖출 수 있다는 것입니다. 

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셋째, 높은 접착력입니다. 집전체와 코팅층 사이 결착력을 높여야 합니다. 기재와 코팅층 사이 계면 저항을 줄이는 것이 요구됩니다. 

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중요한 이유를 요약하면, 적은 양으로도 높은 접착력과 분산성을 통해 전극의 수명을 확보하는 역할이기 때문입니다. 이처럼 기능적 측면을 넘어서 활물질의 고성능화에 따른 고신뢰성 확보 측면에서 중요해지고 있습니다. 

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4. 종류 2가지 

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일반적으로 사용되는 종류는 크게 유기계와 수계로 나뉩니다. 유기계는 유기용매에 고분자 물질이 분산되어 있는 형태입니다. 이와 반대로 수계는 물에 고분자 물질이 분산되어 있는 형태입니다. 

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출처 : 이차전지용 기능성 고분자 / 고분자 과학과 기술 / 제 27권 3호

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먼저, 비수계 (유기계)는 PVdf (Polyvinylidene fluoride, 폴리비닐리덴 플루오라이드)가 대표적입니다. 이는 NMP용매와 같이 사용됩니다. 특징은 활물질, 도전재 입자에 대한 분산성과 결착력이 우수하고 전기화학적 안전성이 높습니다. 

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선 접촉형으로 높은 결착력을 보이기 위해 분자량을 증가시켜야 합니다. 이때 슬러리 점도가 증가하여 분산 문제가 존재하며 집전체로부터의 코팅층 탈리 이슈가 있습니다. 또한 환경 문제(독성물질 배출)와 가격 경쟁력 확보의 어려움이 존재합니다. 

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수계는 SBR/CMC가 대표적입니다. PVdf 대비 결착력 우수하여 적은 함량 사용이 가능합니다. 또한 유기용매를 사용하지 않고 물을 사용하여 환경 친화적인 장점이 있습니다. 더구나 입자 사이 점 접촉형으로 전기화학적 특성을 보다 더 잘 유지합니다. 

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5. 개발 현황 

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출처 : 자료에 포함

 

활물질이 흑연에서 SI로 넘어가면서 바인더의 중요성이 커지고 있습니다. 

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하지만 현재 해당 산업은 일본 업체의 의존도가 높은 상황입니다. 유계는 Kureha, 수계는 Zeon는 대표적이죠. 특히 국내 3사 모두 Zeon에게 공급받는 중입니다. 그중 SDI와 SK이노베이션이 한솔케미칼로부터 일부 공급받고 있습니다. 

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출처 : 사진에 포함

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일본의 의존도가 높은 상황에서 국내 기업들은 국산화를 목표하고 있습니다. 기존 활물질 소재 기업뿐만 아니라, 석유, 페인트 업체의 진출이 눈에 띕니다. 

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국내에는 한솔케미칼 외에도 금호석유, 노루페인트 등이 있습니다. 

 

SKC, 오는 2024년부터 실리콘 음극재 생산 예정

배터리 소재 사업에 속도를 내고 있는 SKC는 연내 실리콘 음극재 사업 운영회사를 설립할 예정이며,SKC는 컨소시엄을 구성해 지난해 영국 음극재 스타트업 넥시온에 8,000만 달러(약 940억 원)를 투자를 단행했습니다.

이어 넥시온이 보유한 핵심 특허인 차세대 실리콘 음극재 기술 ‘NSP-1’에 대한 독점 라이선스 계약을 체결하고 합작사를 설립합니다.넥시온의 기술력과 SKC의 글로벌 양산, 마케팅 역량을 결합해 오는 2024년부터 실리콘 음극재를 생산할 계획입니다.


美 전기차 시장에 투자하는 韓 기업들
배터리 소재 사업 진출 활발···선점 경쟁 본격화
전고체 배터리 개발 속도↑···양산 시기 빨라지나

NSP-1 기술은 기존 실리콘 음극재의 단점을 보완한 고강도 소재입니다. 충전 시 팽창은 하지만 부서지지 않는다는 장점이 있습니다. 이를 통해 음극재의 실리콘 함량을 10%까지 끌어올릴 수 있습니다.그만큼 에너지 밀도가 높아지고 충전시간도 단축할 수 시킬수 있습니다.

SKC는 먼저 실리콘 저함량 제품을 상업화해 시장에 진입하고 시장 속도에 맞춰 NSP-1를 적용한 고함량 제품을 선보일 예정이며,기존의 동박 사업과의 시너지 효과도 볼 수 있을 것으로 전망됩니다.



 배터리 3사, 음극재 실리콘 함량 높이는 연구에 주력

국내 배터리 3사들은 음극재에 실리콘 함량을 높일 수 있는 기술 개발에 주력하고 있습니다. LG에너지솔루션은 국내 최초로 실리콘 음극재를 생산한 대주전자재료와 손잡고 실리콘 함량을 기존 5%에서 7%로 높이는 음극재 기술을 개발 중입니다.이에  앞서 LG에너지솔루션은 지난 2019년 포르쉐 전기자동차 타이칸 배터리에 실리콘 음극재를 적용한 바 있습니다.

SK온 역시 최대 7% 수준의 실리콘 음극재를 내년 상반기 출시되는 미국 포드 전기차 모델에 탑재할 예정입니다. 이와 함께 음극재의 실리콘 함량을 10% 이상 올리는 기술 개발도 양산을 앞두고 있습니다. 음극재뿐 아니라 전극 설계 기술 강화를 통해 배터리 경쟁력을 높인다는 계획입니다.

삼성SDI는 SCN 기술을 개발해 확대 적용 중이며,SCN은 실리콘을 머리카락 두께 수천 분의 1크기로 나노화한 후 흑연과 혼합해 하나의 물질처럼 복합화한 기술입니다. 이를 통해 배터리 팽창 문제도 해소했으며 현재 삼성SDI가 생산하는 배터리 젠5에 탑재되고 있습니다.

실리콘 음극재는 아직 상용화 초기 단계인 만큼 시장 선점을 위한 연구 개발에 더욱 속도가 붙을 것으로 전망되며,에너지 밀도를 높이면서도 부피 팽창 위험을 막기 위해서는 안정적으로 실리콘 함량을 높이는 연구가 가장 중요할 것으로 보입니다.

실리콘 음극재관련주

대주전자재료

한솔케미칼

SKC

에코프로비엠

포스코케미칼

LG화학

삼성SDI

동진쎄미켐

이녹스

 

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이녹스관련 추가 부연설명 

이녹스는 2015년 알톤스포츠 인수, 2016년 투자회사인 아이베스트에 출자했고 2017년 인적 분할을 통해 순수 지주회사가 되었으며, 알톤스포츠와 아이베스트는 연결 자회사이며 이녹스첨단소재는 관계회사입니다.

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2020년 6월 금속 실리콘 및 2차전지 Si 음극재용 Si 파우더 제조회사인 티알에스를 자회사로 편입 (지분 63.8%)하였다. 2022년 1분기 실적은 매출액 205억원 (+30.9% YoY), 영업이익 68억원 (+46.0% YoY)이며,이녹스첨단소재에서 2021년 결산 배당금 약 17억원 (주당 350원)이 유입되었습니다. 1분기 실적 증가의 주 요인입니다.

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자회사 티알에스의 성장성에 주목하자.

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2차전지 밸류체인에 본격적으로 탑승이 시작되었다. 1) 전기차의 주행거리 향상, 급속충전 요구를 충족할 수 있는 대안으로 실리콘 음극재가 부각되고 있다. 테슬라는 원통형 배터리 (2170, 4680) 음극재 부분 중 실리콘 첨가제 비중을 현재 5~8%에서 5년 내 20%까지 확대할 예정이다. 전기차 판매 (Q) 증가와 음극재 내 Si 첨가제 비중 확대로 Si 파우더 매출 급증이 기대된다.

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2) 2차전지 음극재 Si 파우더 매출이 본격화 된다. 6월 글로벌 고객사 납품을 위한 양산이 시작됐다. 파나소닉에 6월 40톤 이상, 7~9월에는 월 80톤의 납품을 진행할 예정이며, 추가 공급확대를 검토 중이다.

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3) 2025년까지 공격적인 CAPA 확장이 기대된다. 현재 2차전지용 Si파우더  설비는 100톤/월 (연 1,200톤)이며, 연말까지 2~3배 추가 증설할 계획이다. 2025년 생산캐파는 약 1,400톤/월 (연, 16,800톤) 규모이다. 설비투자 자금은 증자 및 24년 하반기 IPO를 통해 조달할 예정이다. 2차전지 소재회사로 점프가 기대된다