2차전지가 있으면 1차전지가 있겠죠. 1차전지는 숫자 그대로 1번 방전이 되고나면 다시 재사용이 불가능해요. 2차전지는 재사용이 가능하죠. 그래서, 2라는 숫자가 붙습니다. 2차전지를 다른 말로 리튬이온배터리라고도 해요. 이 리튬이온이라는 녀석이 +극과 -극을 왔다갔다하면서 전기를 발생시키거든요.
예를 들면, 리튬이온이 +극(양극)에서 -극(음극)으로 이동할 때는 충전이되고요. 반대방향일 때는 방전이 됩니다. 어디서 출발하느냐에 따라 +극이면 플러스이니 충전, -극이면 마이너스니까 방전이라고 기억하시면 훨씬 더 쉽습니다. 그리고, 이러한 리튬이온을 이동하는 것을 돕는 물질이 전해액이고요. 이 전해액속에 깨끗한 물질이만 있으면 좋을텐데, 가끔 불순물도 끼겠죠. 그래서, 분리막이 존재하여 순수한 리튬이온만 이동가능하게 돕기도 하며 이름에도 알 수 있듯 양극, 음극을 분리하는 역할까지합니다. 심지어 배터리 온도가 올라가면 분리막에 뚫려있던 구멍들이 막혀 리튬이온의 이동을 막아 폭발위험도 줄여주죠.
그래도, 이중에서 당연코 중요한 것은 양극에 있는 양극재에요. 아래 표를 보면 양극재의 특성이 잘 나와있어요.
그렇다면, 양극재를 어떻게 만들까요? 대표적으로 4가지 물질이 있어요. 이것도 표로 한 번 봐보죠.
니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 이렇게 대표적으로 4가지가 있는데요. 각 전구체(소재를 뜻함)마다 가진 장점들이 있는데, 예를 들면 니켈은 에너지밀도를 높여 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있게하고 밀도가 높은 만큼 전압도 강하여 출력도 강해지겠죠. 하지만, 스포츠카가 무작정 빠르게만 달리면 사고날 위험이 높듯 안정성을 잡아주는 것이 코발트의 역할이고요. 이 4가지 전구체를 어떠한 비율로 조합하느냐가 배터리성능을 좌우합니다.
주로, NCM(니켈Ni+코발트Co+망간Mn) 조합이 가장 주목받고 있어요. 에너지 밀도도 높일 수 있고 안정성이 높고 수명도 길어서 대부분 배터리회사들이 추구하는 조합이죠.
문제는 이러한 전구체들이 잘 구해지면 상관이없는데 자원이 무기화가 되는 요즘 구하기가 정말 어렵다는 것이에요. 예를 들면, 전세계 매장량의 60% 이상을 차지하고 있는 콩고민주공화국같은 경우 전량 중국이 가져갑니다. 중국에서 CATL처럼 전기차배터리를 만드는 기업들이 많죠. 점유율도 세계1위에요. 그러다보니, 경쟁을 해야하는 우리나라 업체입장에서도 이 코발트 구하기가 굉장히 힘듭니다.
이러한 상황에서 전기차 선두업체 테슬라도 '코발트제로'라는 목표아래 NCM중 C를 최대한 줄여 가격경쟁력을 낮추고 N을 늘려 하이니켈양극재로 가겠다고 선언을 이미 한 상태에요. 뿐만 아니라, LG에너지솔루션, SK온, GM 등 완성차업체+배터리업체 모두 탈코발트화를 하고 있죠. 다만, 이게 쉽지많은 않은 것 같습니다. 싸고 안전하고 수명이긴 리튬인산철(LFP)배터리도 있긴 하지만, 무거워서 오래 달릴 수 없다는 한계가 있다.
코발트가격추이 사이트 :
https://www.kores.net/komis/price/mineralprice/the4thIndustry/pricetrend/coreMetals.do
니켈가격추이 사이트 : https://www.kores.net/komis/price/mineralprice/basemetals/pricetrend/baseMetals.do
아직 얘기하지 않은 것이 하나 있죠. 바로, 음극재입니다. 음극재는 리튬이온을 저장하고(충전기능) 방전까지 가능케하는 중요한 전구체입니다. 이 음극재는 주성분이 흑연인데요, 이 또한 아쉽게도 중국이 무려 세계시장점유율 82%를 차지합니다. 양극재의 코발트 뿐만아니라 음극재의 주원료인 흑연까지 중국이 꽉잡고 있는 것이죠. 미국의 IRA(인플레이션감축법)을 보면 알겠지만, 중국에서 나오는 원재료를 통해서 전기차배터리를 만들면 안된다고 이미 선언을 했어요. 이러한 상황에서 중국에서 나오는 흑연을 배제해야하는데, 상당히 어렵죠. 그래서 나온 것이 인조흑연과 실리콘음극재입니다.
그렇다면, 인조흑연은 어떻게 만들까요? 우선, 코크스라는 것을 알아야해요. 철광석을 녹이려면 열을 가해야겠죠. 그런데, 열을 가하기 위해 아무 연료나 넣으면 안돼요. 예를 들면, 황성분이 가득한 석탄을 넣고 가열하면 철광석속 양질의 철을 얻지못한다는 것이에요. 그러면, 황, 인 성분이 적은 석탄을 구해야하는데, 이를 코크스라고 합니다. 이 코크스를 고로에 넣고 철광석에 열을 가하면 양질의 철을 얻을 수 있는 것이죠.
여기서 핵심은 고로에서 코크스를 태울 때 나오는 액체인데요. 바로, 인조흑연의 주원료가 되는 콜타르가 나온다는거에요. 드디어 이 콜타르(Coal Tar)를 잘 가공하면 침상코크스가 만들어지는데, 이게 바로 인조흑연의 주 원료입니다.
천연흑연은 탄소성분이 오랜시간 고온, 고압상태로 층층히 쌓여서 만들어진 것이에요. 리튬이온배터리를 생각해보면 리튬이온이 이동한다는 것을 기억하시죠. 천연흑연은 층으로 이루어져있기 때문에, 리튬이온이 들어갈 공간이 좌,우 밖에 없습니다. 반대로, 인조흑연의 탄소결합을 보면, 층으로 이루어진 것이 아닌 이곳저곳 퍼져있습니다. 그래서, 리튬이온이 들어갈 공간이 많이있죠. 리튬이온의 이동이 원활해지므로 충방전효율이 늘어날 것이고요, 음극재에서 리튬이온으로 인한 팽창이 줄어들기 때문에 수명도 늘어나게 됩니다.
이러한 인조흑연으로 음극재를 만드는 것을 포스코케미칼 자회사 피엠씨텍을 통해 생산하고 있습니다. 그런데, 여기서 잠깐. 천연흑연, 인조흑연이 음극재에 쓰이는 것은 알겠는데, 실리콘 음극재도 들어봤다고 하시는 분들을 위해 실리콘 음극재까지 설명드릴게요.
앞서 설명드렸듯, 천연흑연은 오랫동안 쌓여온 층구조로 인해 리튬이온이 거기에 갇혀 못빠져나와 팽창할 수 있고 중국이 80% 이상 생산을 하기 때문에 지정학적 리스크가 있다고 말씀드렸죠. 인조흑연도 코크스로 철광석을 노이는 과정에서 콜타르를 얻고 이 콜타르를 잘 가공해서 침상코크스로 만들어 인조흑연을 만든다고 했습니다. 인조흑연의 단점은 가격이 비싸다는 것이에요. 코크스 -> 콜타르 -> 침상코크스 -> 인조흑연까지 과정이 복잡다난하죠. 이러한 것을 보완하기 위해 실리콘음극재가 등장해요.
흑연은 탄소원자6개로 이루어져있어요. 이 탄소원자 6개당 리튬이온 1개가 지나갈 수 있죠. 즉, 6 대 1 비율인 것이에요.
하지만, 놀랍게도 실리콘은 탄소원자4개당 리튬이온 15개를 품을 수가 있어요. 4 대 15(1 : 3.75)의 비율인 것이죠. 압도적으로 흑연보다 적은원자수로 리튬이온을 품을 수가 있는 것입니다. 이 말은 즉, 음극재가 충방전+수명의 핵심인 것을 생각해보면 획기적으로 충방전성능향상과 수명연장이 가능하다는 얘기에요. 학계에서는 흑연과의 에너지밀도 차이가 10배 정도 차이가 난다고 합니다. 다만, 현재의 한계점은 천연흑연과 같이 실리콘의 원자구조상 리튬이온이 활발히 이동하지 않아 팽창문제를 겪고 있다는 점. 그리고, 방전 후 이전과 같은 결정체로 돌아오지 않는다는 문제점은 존재합니다.
앞으로 흑연의 총 수요는 천연, 인조, 실리콘을 가리지 않고 증가하겠지만, 옥석가리기는 확실히 해야할 것 같아요. 특히, 인조흑연과 실리콘흑연의 시장성장성이 클 것으로 보고 있습니다.
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