차세대 음극재 리튬메탈과 핵심기업

안녕하세요 2차 전지의 겨울이 정말 길게 오고 있습니다 , 언론에서는 전기차에 대한 부정적 뉴스만 흘러나오는데 내부적으로 살펴보면 그래도 전기차는 꾸준히 시장 점유율을 높여 나가고 있습니다, 오늘은 전기차 발전의 토대가 되고 있는 2차 전지에 대해서 알아보려고 하는데 그중에서도 2차 전지의 차세대 음극제로 불리고 있는 "리튬메탈 음극제"에 대해서 알아보도록 하겠습니다

 

리튬메탈 음극제의 역사와 장점

 

여러분 BoT 시대가 도래한다라는 말을 한 번쯤 들어보셨을 겁니다. "BoT는 Battery of Things" 의 약자인데요. 앞으로 우리 주변의 더 많은 사물에 배터리 즉 2차 전지가 사용된다는 것입니다. 대표적인 사례가 내연기관에서 전기차로 변화하고 있는 모빌리티 분야가 되겠습니다.

 

전기차 외에도 ESS, 드론, 로봇, uam 등 배터리가 필요한 많은 어플리케이션들이 있습니다. 그리고 각각의 애플리케이션별로 다른 특성의 배터리가 필요합니다. 싼 가격, 높은 에너지 밀도, 뛰어난 안정성, 충전 속도, 높은 출력 그리고 수명이 긴 배터리 등 이 모든 특성을 만족시켜 줄 수 있다면 좋겠지만 세상에 아직까지 그런 배터리는 존재하지 않습니다.

 

배터리의 특성에 가장 큰 영향을 주는 것이 소재이기 때문에 여러 가지 타입의 소재가 등장하고 있는 것입니다.대표적으로 양극재는 LCO를 거쳐 NCA, NCM, LFP 등으로 다양화되고 있고, 음극제도 흑연을 거쳐 금속계인 실리콘과 리튬을 향하고 있습니다.

 

1991년 소니에 의해 리튬이온 전지가 상용화되기 3년 전, 그러니까 1988년에 이미 2차 전지를 상용화한 캐나다의 "몰리 에너지라는(MOLICEL)" 기업이 있었습니다. 이 회사의 2차 전지인 "몰리셀"은 양극으로 황화몰리브덴, 음극으로는 리튬 메탈을 사용했죠, 리튬을 음극재로 상용화한 첫 제품이었습니다.

 

 

일본의 통신사인 NTT에서 1988년에 사실상 일본의 첫 번째 휴대폰을 출시하는데 여기에 몰리셀이 사용됩니다.초기의 리튬 메탈 음극제는 지금 같은 박막 제조 기술이 없었기 때문에 두께가 너무 두꺼워서 에너지 밀도가 좋지 않았고 무엇보다 안정성에 문제가 있었습니다.

 

 

몰리셀도 상용화 1년 뒤에 화재 사고가 발생해 출시된 1만 개의 셀이 전량 리콜되었고 결국 "몰리 에너지"도 파산하게 됩니다. 그래서 일본의 요시노 박사가 이를 개선하기 위해 음극재로 흑연을 사용했고, 소니의 리튬이온 전지가 상용화된 1991년 이후 지금까지 흑연이 음극재로 사용되고 있습니다.

 

현재 1차 전지용 코인셀 중 일부가 리튬 메탈을 음극으로 사용하기도 하지만 2차 전지에 사용하기에는 적합하지 않습니다. 음극제로 사용 가능한 후보 물질 가운데 리튬의 에너지 밀도가 가장 높습니다. 동일한 양극재를 사용한다고 가정할 때 이론적으로 흑연 음극제는 에너지 밀도가 kg당 150에서 200와트이지만, 리튬 메탈을 음극제로 사용한 배터리는 에너지 밀도를 kg당 400에서 600w까지 늘려줄 수가 있습니다.

 

전기차에 적용하면 한 번 충전 시  약 800km 이상 주행이 가능한 셈입니다.그리고 리튬 메탈을 적용해 음극의 에너지 밀도를 높이면 배터리 셀에서 기존의 음극재가 차지하던 공간을 줄이고 양극제가 사용하는 공간을 늘릴 수 있기 때문에 동일한 양극재를 사용하더라도 배터리 셀의 부피당 에너지 밀도 개선 효과도 발생하게 됩니다.

 

 

 

리튬메탈 음극재의 극복해야할 몆 가지 과제

 

하지만 리튬 메탈을 음극재로 사용하기 위해서는 아직 극복해야 할 과제들이 많습니다. 우선 충방전 사이클 즉, 수명이 짧다는 것입니다. 두께가 너무 두껍고 아직은 비싸다는 것도 계산해야 합니다. 그리고 가장 큰 문제는 안정성입니다.

 

리튬 메탈은 음극제에서 고드름 모양의 덴드라이트가 형성되면서 리튬의 손실이 발생하게 되고, 덴드라이트가 계속 커져서 양극과 만나게 되면 쇼트가 일어나 화재가 발생하게 됩니다.리튬 메탈 음극제가 적용된 최초의 상용 2차 전지인 몰리셀도 바로 덴드라이트 때문에 화재가 발생한 것으로 밝혀진 바 있습니다.

 

따라서 덴드라이트를 억제하기 위한 여러 가지 형태의 기술 개발들이 활발히 진행되고 있는데,대표적인 예가 전해액을 고체로 바꿔주는 것과 음극 표면에 보호막을 만들어주는 것, 즉 코팅을 해주는 것입니다. 리튬이온 배터리를 개선한 차세대 배터리로 주목받는 것이 "리튬 메탈", "리튬황", "리튬 에어" 등 여러 가지가 있는데 여기에는 모두 리튬이 음극제로 사용됩니다, 결국 음극제 진화의 끝판왕은 리튬메탈이라고 할 수 있겠습니다.

 

 

 리튬 메탈의 생산 방식

 

리튬 메탈 음극제의 핵심 원료는 염화리튬 또는 탄산리튬이며 전기 분해 또는 열환원 공정을 거쳐 "잉곳"을 생산하게 됩니다. 그리고 잉곳을 압연 공정을 통해 아주 얇은 박막 형태의 최종 제품인 리튬 메탈로 만들어주게 됩니다. 리튬을 음극제로 쓰기 위해서는 당연히 리튬의 순도를 높이고 불순물은 최소화해줘야 합니다.

 

리튬 메탈의 핵심 원료인 염화리튬은 탄산리튬을 변환해 생산할 수도 있지만 염수에서 증발, 농축, 정제, 결정화 등의 과정을 거쳐 바로 생산할 수도 있습니다, 한국의 "포스코홀딩스"는 순도가 높고 불순물이 적은 염호를 보유하고 있으며 세계 최고 수준의 리튬 정제 기술을 가지고 있기 때문에 리튬 메탈 음극재를 양산하게 되면 높은 경쟁력을 가질 것으로 예상됩니다.

 

그리고 포스코홀딩스가 리튬 메탈에서 갖고 있는 경쟁력은 또 한 가지가 있습니다.리튬 메탈을 음극제로 쓰는 가장 큰 이유는 에너지 밀도 때문인데, 아주 얇은 박막으로 만드는 초극박화 공정이 가장 중요합니다. 하지만 현재의 리튬 메탈 제조 기술은 주로 압출 방식을 사용하고 있기 때문에 전기차 등의 2차 전지용 스펙을 만족시키기에는 적합하지 않습니다.

 

 

전기차 등에 사용되는 2차 전지용으로 사용되기 위해서는 리튬 메탈의 두께가 20마이크로미터 이하여야 합니다. 또한 수율을 높여 경제성을 확보하기 위해서는 폭도 600mm 이상으로 만들 수 있어야 합니다. 현재 생산되는 리튬 메탈이 너무 두껍고 폭이 좁다는 그런 단점을 개선하기 위해 여러 업체들이 다양한 시도를 하고 있는데요, 그중 단연 앞서 나가는 기업이 포스코홀딩스입니다.

 

 왜냐하면 리튬 메탈을 제조하고 양산할 때 포스코홀딩스가 가진 장점이 발효됩니다. 포스코는 방판 제조에서부터 쌓아온 압연 도금 기술들을 보유하고 있습니다. 이를 "Roll-to-Roll "공법이라고 하는데, 포스코는 Roll-to-Roll 공법을 적용해 극박 광폭, 즉 두께는 매우 얇고 폭은 넓어 차세대 배터리에 적합하면서도 경제성 있는 리튬 메탈 음극재를 양산할 계획입니다.

 

이처럼 포스코 홀딩스는 리튬 메탈의 핵심 원료도 쉽게 확보할 수 있고 리튬 메탈을 경쟁력 있게 양산할 수 있는 핵심 공정 기술도 보유하고 있습니다.

 

 

마치면서 

 

앞서 말씀드린 바와 같이 리튬 메탈 음극제는 아직 극복해야 할 과제들이 많기 때문에 전기차에 적용되기까지는 시간이 다소 오래 걸리겠지만 드론 등 다른 애플리케이션에서는 2025년 이후 사용량이 증가할 것으로 보입니다. 일부 전망기관에서는 리튬 메탈 음극제의 수요가 2030년 9만 톤에서 급격히 증가해 2035년에는 약 90만 톤 수준으로 확대될 것으로 예상하고 있고, 리튬 메탈이 2035년 전체 음극재 시장에서 차지하는 비중이 약 20%로 커질 것으로 전망하고 있습니다

 

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