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배터리는 '전기-화학' 반응을 이용한 제품입니다. 어떤 물질의 산화, 환원 과정에서 발생하는 전자의 움직임으로 에너지를 얻는 방식이지요. 산화는 전자를 잃는 것이고, 환원은 전자를 얻는 것을 말합니다. 배터리 사업을 한다는 것은 소재를 설계‧생산해 다룰 수 있는 능력이 있다는 의미입니다.

장비가 생산성과 관련이 있다면, 소재는 배터리 성능을 좌우합니다. 그만큼 소재가 배터리에 끼치는 영향은 절대적입니다. 예컨대 전체 배터리 소재의 단 1%만 차지하는 첨가제만 바꿔도 전기차 충전 속도와 안정성을 크게 높일 수 있습니다. 전기차 상품성이 달라집니다.

최근 판매되는 3세대 전기차는 1세대와 비교해 단순히 주행거리만 늘어나지 않았습니다. 충전 시간을 대폭 줄였고, 낮은 온도에서의 배터리 성능 저하가 크지 않습니다. 배터리 수명 자체가 늘어나 움직이는 에너지저장장치(ESS)로도 활용할 정도입니다. 양방향 충전 시스템으로 전기차 배터리를 이용해 냉장고, 전자레인지 등 가전제품도 작동할 수 있습니다. 재해가 발생했을 때 전기차 자체가 긴급 전력공급장치 역할도 해내는 것입니다.

이처럼 전기차 업체가 배터리에 필요로 하는 각종 요소는 4대 핵심소재의 혁신을 통해서 이뤄집니다. 양극재는 단순히 니켈 함량만 높이는 게 전부가 아닙니다. 안정성을 위한 코팅 기술, 다결정 대신 단결정을 사용해야 제대로 된 하이니켈 양극재로 평가 받습니다. 여러 배터리 업체가 코발트 대신 쓴다는 망간도 마찬가지입니다. 단결정과 함께 표면 처리 기술이 갖춰지지 않으면 에너지 밀도 향상이 어렵습니다.

음극재는 어떨까요. 현재 널리 사용하고 있는 흑연계(천연‧인조) 음극재는 이론적인 최대 용량이 372밀리암페어(mAh)/g에 불과합니다. 실리콘을 이용해 한계를 극복할 수 있지만, 고작 5% 정도 첨가하는 것에 그칩니다. 산화규소(SiO×)계, 질화규소(SiN×)계, 리튬메탈, 리튬티타늄 화합물(LTO) 등이 대안으로 주목 받고 있습니다. 각자 장단점이 있어 해당 기술이 확보한 기업끼리의 경쟁이 치열합니다.

도전재 역할도 중요합니다. 도전재는 양극과 음극 활물질(양극재, 음극재)과 집전체(동박, 알루미늄박) 사이에 쓰는 소재입니다. 활물질(양‧음극재)과 집전체(동박, 알루미늅박)의 전기전도성을 높이는 역할입니다. 탄소나노튜브(CNT)가 각광받고 있지만, 반드시 분산 기술이 뒷받침되어야 제대로 쓸 수 있습니다. 분산 기술의 근간은 분산액입니다.

전해질은 첨가제가 관건입니다. 기본적으로 음극 표면에 피막을 만들어 보호하는 역할이 기본이지만, 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상을 억제하고 과충전을 방지하는 등 의 모든 성능에 관여합니다. 음극 표면의 피막을 형성하면서 배터리 성능과 특성을 결정짓습니다. 새 배터리를 설계해 양산하기까지 수년의 시간이 걸린다는 점을 고려했을 때, 첨가제는 배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있는 최선의 선택입니다.

5월 31일 디일렉 사옥에서 오프라인으로 개최되는 '배터리 혁신을 가속화하는 마법의 신소재 콘퍼런스'는 해당 분야의 전문가와 기업이 참여해 배터리 소재 시장의 트렌드와 기술을 제공합니다.

LG에너지솔루션은 글로벌 배터리 기업 관점에서 바라본 소재 혁신의 필요성을 설명합니다. 국내 1위 배터리 업체인 LG에너지솔루션은 가장 적극적으로 신소재를 적용하는 것으로 알려져 있습니다. 중국이 주도하는 리튬인산철(LFP) 배터리도 개발해 ESS와 전기차에 활용할 계획입니다.

함께 발표하는 LG화학도 눈여겨 봐야합니다. 양극재, 프리커서(전구체)는 물론 도전재로 쓰는 CNT 사업까지 모두 진행하고 있기 때문입니다. 폐배터리 재활용과 전구체 원료까지 조달하는 등 배터리 소재 시장에 과감한 투자를 진행 중입니다. 2030년까지 배터리 소재 사업에만 매년 4조원 이상의 투자를 진행할 계획이지요. 안동준 양극재사업부 EV용 양극재선행개발팀장이 전기차 배터리 양극재 개발 현황을 소개합니다.

포스코케미칼은 이헌영 음극재연구그룹장(상무보)이 차세대 음극재 기술을 소개합니다. 최근 사업을 본격화한 인조흑연이 대상입니다. 이 소재는 포스코케미칼이 국내에서 유일하게 생산 중입니다. 인조흑연은 전기차 배터리 수명을 늘리고 충전 시간을 단축시키는 소재입니다. 2020년 기준 글로벌 음극재 시장에서 76%의 비중을 차지하고 있지만, 그간 국내 생산 기업이 없어 일본, 중국 등으로부터 전량 수입해 왔습니다.

다른 음극재 기업으로는 엘피엔과 에스엔피가 있습니다. 엘피엔은 정영운 대표가 천연흑연을 재활용하는 '조립구상' 기술로 배터리 수율과 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 기술에 대해 발표합니다. 조립구상은 천연흑연으로 배터리 음극재를 만들 때 나오는 찌꺼기를 재활용하는 게 핵심입니다. 최종적으로 인조흑연급 제품으로 생산할 수 있습니다.

에스엔피는 폐태양광 패널에서 분리한 실리콘 분말을 원료로 순수 실리콘(Si) 음극재 생산 기술을 확보한 기업입니다. 비드밀(Bead Mill)이 아닌 물리적기상증착(PVD) 방식을 통해 실리콘 음극재를 생산합니다. 카본 코팅을 더한 코어-쉘 구조로 기존 실리콘 음극재와 차별화된 성능과 원가 경쟁력을 갖췄다는 게 회사 측의 설명입니다.

도전재는 코본, 베터리얼이 있습니다. 코본의 윤범진 이사가 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 이용한 고성능 음극재 기술을 발표합니다. 이 소재는 러시아 옥시알이 장악하고 있어 코본이 배터리에 적용할 경우 수입대체 효과가 예상됩니다. 베터리얼은 유광현 대표가 CNT 분산액 장비, 해당 장비로 생산한 CNT 개발 과정을 설명합니다. CNT 분산액 소재는 전자파차폐, 방열소재 등으로 적용 분야가 다양해지고 있습니다.

전해질 첨가제 기업으로는 내일테크놀러지와 인켐스가 발표합니다. 내일테크놀러지는 질화붕소나노튜브(BNNT)를 배터리 분리막과 전해질 첨가제 모두 활용할 수 있는 방안이 소개됩니다. 인켐스는 전기차용 전고체 배터리에 사용될 황화물계 고체전해질 개발 현황을 알립니다. 이미 국내 배터리 업체들과 긴밀히 접촉 중이지요. 이외 분리막 성능을 높여줄 신소재로 아라미스가 구상 알루미나를 대체할 판상 알루미나 기술을 선보입니다.

배터리 소재는 치열한 전기차 시장 경쟁의 '게임 체인저'입니다. 핵심소재 공급부족이 가중되며 원재료인 니켈, 코발트, 리튬 등의 가격이 급상승한 상황에서 돌파구도 마련해 줄 수 있습니다. 추격자에서 선도자로 나설 수 있는 유일한 방법이기도 합니다.

이번 행사를 통해 배터리와 소재 후방산업의 생생한 정보를 받아가시기 바랍니다.

◆ 행사개요

– 행사명 : 배터리 혁신을 가속화하는 마법의 신소재 콘퍼런스
– 주최 및 주관 : 전자부품 전문미디어 디일렉(bestwatersport.com)/YELEC
– 일시 : 2022년 5월 31일(화) 10:30~17:30
– 장소 : 디일렉 5층 콘퍼런스 룸(서울시 강남구 논현로 515 아승빌딩, 5층)
– 등록비용 : 33만원(부가세 포함)
– 규모 : 50명(선착순 마감)

◆ 프로그램 구성

이수환 전문기자 다른기사 보기