
카본블랙 이어 CNT 실용화 속도 … 도레이, 그래핀으로 도전성 향상
LiB(리튬이온전지) 고용량화를 위한 양극재용 도전조제 개발이 잇따르고 있다.
도전조제는 전극의 저항을 낮추기 위해 사용하며 그동안 카본블랙(Carbon Black)을 주로 채용했으나 카본블랙 이상의 도전성을 갖춘 CNT(Carbon Nano Tube) 도전조제가 실용화됐고 그래핀(Graphene) 연구 사례가 보고되는 등 소재가 다양화되고 있다.
LiB 고용량화를 위한 도전조제 개발 분야에서 글로벌 트렌드를 리드하고 있는 도요컬러(Toyo Color)는 CNT를 사용한 분산액 리오아큠(Lioaccum)을 유럽 자동차기업에게 공급하는 등 글로벌 배터리 생산기업과의 협력을 강화하고 있다.
CNT는 카본블랙보다 우수한 도전성을 갖추고 있으나 분산이 어렵다는 단점이 있다.
도요컬러는 분산체 제조법을 활용해 리오아큠을 실용화했으며 앞으로 고용량 LiB 용도에서 CNT 도전조제가 필수 소재로 자리를 잡을 것으로 기대하고 있다.
LiB를 고용량화하기 위해서는 양극활물질 사용량을 늘리는 방법이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.
양극재는 주로 활물질과 도전조제, 바인더로 구성돼 있으며 도전조제와 바인더 사용량을 늘리면 양극활물질의 양이 줄어들어 고용량화를 저해하는 요인으로 작용하고 있다.
그러나 도요컬러의 리오아큠은 일반적인 카본블랙 도전조제의 10-20%만 사용해도 카본블랙 도전조제와 동일 성능을 발휘할 수 있어 도전조제 사용량을 줄이고 양극활물질 투입을 늘릴 수 있다.
도전조제를 줄이면 바인더 사용량도 감축할 수 있어 도전소재 코스트 자체를 줄이는 효과도 예상된다.
도요컬러는 북미, 유럽, 중국 등에서 안정적인 도전조제 생산체제를 갖추고 있으며 앞으로도 수요지에서 직접 생산하며 고용량화 니즈 충족에 주력할 계획이다.
강점 기술을 활용해 도전조제 시장에 새로 진출한 일본케미콘(Nippon Chemi-Con)은 최근 개발한 도전 카본 NH Carbon의 양산화를 결정했다.
NH Carbon은 양극 등 활물질과의 혼연공정이나 전극에 프레스 성형할 때 형상을 변화시켜 활물질 표면을 코팅하는 것이 가능하며, 코팅 과정이 활물질 표면에서 전해액의 부반응을 완화시키고 도전밀도 향상, 도전저항 저감, 사이클 수명 개선 등의 효과를 내는 것으로 알려졌다.
일본케미콘은 협력기업인 아사히카본(Asahi Carbon)을 통해 NH Carbon 생산설비를 건설하고 2023년부터 본격적인 양산에 나설 계획이다.
맥셀(Maxell)이 세계 최초로 상용화를 준비하고 있는 황화물계 소형 전고체전지용으로 공급을 확정했으며 NMC(니켈‧망간‧코발트) 등 3원계를 포함해 다양한 양극재를 대상으로 제안을 가속화할 방침이다.
NH Carbon에 CNT를 함께 사용하면 내부저항을 저감시킬 수 있다는 강점을 살려 수요기업의 니즈를 충족시킬 수 있는 다양한 솔루션을 마련하고 있다.
도레이(Toray)는 그래핀을 사용한 분산액으로 도전조제 시장 진출을 검토하고 있다.
그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 결합된 시트형 물질이며 뛰어난 도전성을 갖추고 있으나 응집하기 쉬워 농도를 높이면 점토 상태가 돼 유동성이 악화되는 과제가 있다.
도레이는 그래핀의 상호작용을 활용해 응집을 억제할 수 있도록 독자적인 고분자 소재를 첨가해 점도를 자유자재로 제어하는 분산기술을 개발했고, 다른 소재와의 혼합이 용이해진 것으로 알려졌다.
현재 개발하고 있는 분산액은 양극 사이에 그래핀을 주입함으로써 도전성을 향상시키고, LiB를 반복적으로 충‧방전했을 때 도전경로가 열화되는 것을 막을 수 있어 LiB의 장수명화에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
LiB는 자동차용을 중심으로 급성장했으나 미래에는 정치용 등 2차적으로 이용되는 수요가 더 많아질 것으로 예상되고 있어 장수명화가 에너지를 유효하게 활용하기 위해 중요한 요소로 부상하고 있다.
도레이 개발제품은 CNT를 사용한 도전조제와 비교했을 때 배터리 수명을 1.5배 연장시킬 수 있는 등 장수명화에 탁월한 것으로 평가되고 있다.
도레이는 LiB 장수명화 소재로 이른 시기에 상용화하고 에너지 효율화 등 사회적 과제 해결에 박차를 가할 예정이다. (K)