1. 음극의 핵심 소재로 구성된 흑연 및 동박
우리는 앞의 포스팅에서 살펴본 바와 같이 리튬이온 배터리는 주요 4대 소재로 구성되어 있음을 알아보았습니다. 그중에서 양극과 음극은 리튬이온 에너지의 창출과 저장의 역할을 하는 중요한 부분을 담당하고 있기 때문에 우리는 이에 대한 탐구를 좀 더 할 필요가 있습니다. 전기자동차에서 배터리가 차지하는 제조원가가 약 40% 수준이며, 배터리 제조원가의 60~70%가 양극과 음극이기 때문에 이 두 소재는 전기차 관점에서도 매우 중요하다 할 수 있겠습니다. 그중 우리는 리튬이온 전자를 저장하는 음극에 대해 먼저 알아보고자 합니다. 음극은 음극활물질과 음극을 지지해 주는 집전체로 크게 구성된다 할 수 있으며, 음극활물질로는 흑연계 소재가 가장 많이 사용되고 있습니다. 흑연이 현재 가장 많이 사용되는 이유는 리튬이온 전자를 저장하는데 가장 안정적인 층상구조를 보이고 있는 값싼 소재이기 때문입니다. 흑연이 가장 많이 사용되는 제품은 연필심임을 생각해 볼 때 그 가격이 얼마나 저렴한지는 충분히 이해할 수 있습니다. 또한, 음극의 집전체는 구리로 만들어진 얇은 박인 동박이며, 구리는 전기전도도가 높고 상업용 제조가 음극의 집전체로 사용됩니다. 흑연을 주요 소재로 하여 슬러리를 만들고, 이를 집전체에 바르게 되는데, 슬러리를 제조하기 위해서는 전기전도도를 높이는 도전재 등의 첨가제가 함께 믹싱됩니다. 우리는 다음 기회에 이에 대한 포스팅을 다루기로 하겠습니다.
2. 흑연의 종류와 글로벌 공급망 이슈
흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉘어지며, 천연흑연은 광산에서 채굴한 석탄을 부유선광 등의 과정을 통해 인상흑연으로 정제합니다. 이후 이를 동글하게 만드는 구형화 작업을 통해 천연흑연의 원재료가 되는 구형흑연이라는 중간재를 제조하게 됩니다. 한편, 인조흑연은 철강 등 다양한 산업 분야에서 상당히 많이 사용되며, 특히 군수 물자에도 상당히 중요한 위치를 차지합니다. 대표적인 것이 전기로에서 철 스크랩을 녹이는 전극봉의 원료로 이 인조흑연이 사용되는데, 높은 전기전기도와 강력한 인장강도로 인해 철강 산업에서 인조흑연은 없어서는 안 될 소재입니다. 이 천연흑연과 인조흑연은 앞서 설명한 안정적인 층상구조와 값싼 가격 의 장점을 바탕으로 음극재의 핵심 원료가 되었습니다. 그런데, 이 흑연의 채굴 및 정제가 대부분이 중국에서 이루어지고 있으며, 최근 중국은 자국 안보 목적을 이유로 흑연의 수출 시 자국의 허가를 받도록 하는 규제를 발표했습니다. 중국은 특정 국가를 겨냥한 것은 아니라고 설명하였지만, 최근 미중무역 갈등 및 글로벌 블록경제화 등을 고려했을 때 중국의 이와 같은 정책은 자원을 무기로 하는 자국주의라는 평가가 중론입니다. 흑연 이외에 실리콘과 리튬메탈을 음극활물질의 차세대 소재로 개발하고 있지만, 아직 상용화가 되기에는 시간이 필요한 상황입니다.
3. 동박의 주요 원료와 제조 과정
동박의 원료인 구리는 대부분 재활용으로 만들어지는데, 대부분은 폐전선 스크랩 중 고순도인 밀베리로 만들어집니다. 구리라는 물질은 거의 100% 재활용이 되기 때문에, 선박 및 가전 등 산업 전반에 사용된 구리를 다시 쓰게 되는 과정을 거칩니다. 얇고 둥근 폐전선을 잘라 용해조에 녹인 후 이를 전해 방식을 통해 동박을 만들게 됩니다. 이때 동박은 드럼이라는 티타늄으로 만들어진 도넛 모양의 대형 산업재에 전류를 흘려 릴 처럼 둥글게 동박을 제조하게 됩니다. 이차전지가 에너지 밀도가 높아짐에 따라, 음극 집전체로서의 동박은 더욱 얇고 더욱 넓고 더욱 긴 제품으로 진화 발전하게 되었습니다. 더욱 얇은 동박은 더욱 많은 활물질을 탑재하여 고에너지 밀도의 구현에 기여하며, 더욱 넓고 긴 동박 제품은 높은 생산성을 위해 사용됩니다. 현재 한국과 일본을 중심으로 동박 업체들이 시장을 주도하고 있지만, 가격 경쟁력을 기반으로 기술력을 높이고 있는 중국 동박 업체들의 도전도 더욱 거세지고 있습니다. 이상으로 살펴본 흑연과 동박은 음극을 구성하는 핵심 소재로 상당기간 리튬이온 배터리의 음극의 주인공이 되어 왔으며, 흑연은 천연흑연에서 인조흑연으로 동박은 니켈박으로 점진적으로 진화하며 Advanced 리튬이온 배터리의 발전에 기여하고 있습니다. 에너지 저장 공간으로서의 음극은 양극의 에너지 밀도와 동반되어야 배터리 성능이 온전히 발현될 수 있으며(N/P Ratio), 특히 음극은 배터리의 수명을 좌우하기 때문에 그 중요성이 매우 높다 할 수 있겠습니다.