제가 올린 이차전지원리에 대한 설명을 보고와야 아래 내용들을 훨씬 수월하게 이해할 수 있을 거에요.
포스코케미칼을 통해 알아보는 ‘이차전지원리“
간단하게만 이차전지원리를 되짚어볼까요. 양극과 음극이 좌우에 있고 가운데 분리막이 있어요. 이때 양극에 있던 리튬이온이 음극으로 이동한다면, 충전이 되는 것이고요. 음극에 있던 리튬이온이 양극으로 이동한다면, 방전이 되는 원리인 것이죠.
도전재란 '인도할 도(導)', '전기 전(電)', '재료 재(材)'입니다. 즉, 전기를 안내하는 역할을 하는 재료인 것이죠.
이때, 리튬이온 말고도 이동하는 것이 있는데, 바로 '전자'입니다. 방전이라고 하는 것은 전기를 쓴다는 말과 같은 말이죠. 그러면, 전자의 이동이 필요합니다. 이차전지에서 전기를 쓰게되면(=방전) 음극재에 있던 전자가 양극재로 이동을 하는데요. 이것이 방전원리입니다. 전자의 이동이 원활하게 되어야 에너지 효율이 더 높겠죠. 바로, 여기서 도전재가 등장을 합니다. 즉, 이 도전재가 양극, 음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 물질인 것이죠.
CNT도전재란 기존 카본블랙을 대체하는 더 효율적인 전자이동을 돕는 녀석이죠.
도전재가 양극, 음극 사이에서 전자의 이동을 돕는 다는 것은 알았어요. 그러면, CNT도전재란 무엇일까요? CNT도전재는 Carbon NanoTube의 약자에요. 즉, 카본으로 만들어진 아주 작은 단위(나노급)의 튜브형태의 도전재라는 뜻입니다. 기존에는 카본블랙이라는 것을 사용했었는데요. 크기도 클 뿐만 아니라 전기전도성도 그렇게 높지 않아서 많은 양을 투입해야했죠. 이는 배터리 무게와 비용증가로 이어졌고요.
탄소로 만들어졌기 때문에 나노급의 경량화임에도 강도는 강철에 100배에 달합니다. 전지전도성도 굉장히 높죠. 구리에 버금가는 수준이라고 합니다. 그러면, 기존에 사용하던 도전재인 카본블랙 대신 CNT도전재를 사용한다면, 양도 적게 투입이 되고 가격경쟁력도 생기겠죠.
카본블랙 도전재가 차지하던 나머지 5분의 4의 빈공간은 니켈 같은 양극활물질을 더 투입시켜 배터리 성능을 더 획기적으로 높일 수 있습니다.
CNT도전재는 실리콘음극재의 최대 단점인 팽창문제를 해결할 수도 있다고 하네요.
특히, CNT도전재는 실리콘 음극재에 사용되면, 실리콘이 갖고 있던 치명적인 팽창 문제를 해결할 수 있을 가능성이 높다고 합니다. 기존, 천연흑연은 리튬이온이 들어오는 방향이 왼쪽, 오른쪽 두 곳 밖에 없어서 들어오는 것도 문제지만 나가는게 더 문제라 팽창이 쉽게 됐죠. 이를 극복한 것이 인조흑연인데, 코크스 > 콜타르 > 침상코크스 > 인조흑연까지 과정도 복잡할 뿐만아니라 비용까지 증가되어 미래가 그렇게 밝지만은 않았죠.
그런데, 실리콘은 흑연보다 리튬이온을 3~4배 더 품을 수 있을 뿐만 아니라 쉽게 구할 수도 있어서 각광을 받았는데요. 다만, 실리콘 원자 구조상 한 번 사용을 하면 다시 돌아오지 않는 성질이 있어서 팽창문제가 리스크였습니다. 그런데, CNT도전재를 실리콘 음극재에 첨가를 하면 팽창 문제를 방지할 수 있다고 하니 기대가 됩니다. 시장규모도 21년 4,645억 > 27년 2조3,917억원으로 커지니 관련 기업들을 살펴보는 것이 필수겠네요.
투자아이디어도 얻어야겠죠. CNT의 벽이 얇아질 수록 난이도가 높습니다. CNT 벽의 개수에 따라 MWCNT, TWCNT, SWCNT로 나뉘어요.
SWCNT(Single Wall CNT)는 단일벽 탄소나노튜브란 뜻인데요. 'Single'에서도 알 수 있듯이 하나의 벽으로 이루어져 있습니다. MWCNT, TWCNT 보다 훨씬 가늘고 길이도 길기 때문에(무게 DOWN, 커버면적 UP), 실리콘의 부피 팽창을 막아줄 수 있어요. 다만, SWCNT 파우더는 러시아 옥시알(OCSiAl)이 독점하고 있고, 가격도 2,000$/kg(MWCNT의 약 20배)수준이에요. MWCNT는 Multi Wall CNT의 약자인데요. 'Multi'에서 알 수 있듯 다층벽 탄소나노튜브입니다. SWCNT 보다 벽층이 더 많으며(보통 3~6개층), 길이는 짧지만, 물성에는 큰 차이가 없고 가격도 100$/kg 정도이죠. TWCNT는 SWCNT와 MWCNT의 중간 정도 된다고 생각하면 됩니다.
CNT도 탄소소재이기 때문에 뭉치면 결국 흑연(탄소가 뭉치면 흑연이 되기 때문에)의 성질을 갖게 되어 도전재의 역할을 할 수 없게 됩니다. 그래서, CNT가 뭉치지 않게 분산제가 필요해요. 보통, 파우더 형태의 CNT를 액상 슬러리로 만드는데요. 이게 가성비가 뛰어나요. 1kg 파우더로 20배의 액상을 만들 수 있기 때문이죠. MWCNT 분산제를 하는 업체로는 국내 나노신소재, 일본 도요잉크, 중국 일부 기업 등이 있어요. 다만, SWCNT 분산제는 나노신소재만 양산을 하고 있습니다.
실리콘 음극재를 직접 만드는 '포스코케미칼 쉽게 이해하기'를 참고하면, 더 넓은 투자 아이디어를 얻을 수 있을겁니다.
CNT도전재를 만드는 국내 업체 중 선두주자들은 나노신소재와 제이오입니다. 현재 분석글 작성 중이기 때문에, 완료되는 즉시 링크 걸어놓겠습니다 :)
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