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팔방미인 CNT...배터리 핵심 소재로

2022년 12월호

팔방미인 CNT...배터리 핵심 소재로

2022년 12월호

2차전지 도전재 수요 증가...2030년 6.3만t 확대 전망
LG화학, 내년까지 세계 최대 CNT 생산능력 확보 나서


| 신수용 기자 aaa22@newspim.com


은행의 ‘지폐 계수기’에 정전기 방지용으로 사용되거나 도로 결빙을 막고, 자동차에 색을 입히는 도장에도 쓰이는 신소재가 있습니다. 이뿐만이 아닙니다. 의약품과 자동차, 항공, 반도체 등에서도 사용되고 있습니다.

다양한 쓰임새의 주인공은 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)입니다. CNT는 탄소 6개로 이뤄진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 이루는 원통(튜브) 형태를 띠며 다른 소재들과 함께 널리 사용되는 신소재입니다.

CNT가 2차전지 도전재로 주목받고 있습니다. 도전재는 전기가 통하는 정도를 높이는 물질을 뜻합니다. 타사 배터리보다 높은 용량, 빠른 충전속도를 지닌 첨단 배터리를 만들려면 CNT 활용과 배터리 핵심 소재인 실리콘 음극재 도입이 필수이기 때문이죠.
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LG화학 CNT 적용 제품군. [사진=LG화학]


CNT는 탄소(C) 구조가 층층이 쌓여 있는 카본블랙(흑연)과 달리 빨대처럼 기다란 튜브 형태로 말려 있어 전기전도성이 매우 뛰어나며, 강도는 철의 100배에 달합니다. 배터리 양극재에 첨가돼 리튬이온의 이동을 원활하게 해주는 역할(도전재)도 합니다.

리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 충전과 방전이 반복되는데, 이 핵심 기능을 CNT가 돕는 겁니다. 같은 양의 카본블랙을 투입했을 때보다 배터리 용량과 수명, 충전속도가 약 10% 개선되는 효과가 있어 전기차의 배터리 효율을 크게 높일 수 있습니다.

이런 이유로 LG화학, 금호석유화학, SK이노베이션, 삼양사 등이 CNT 개발과 생산 확대에 나서고 있습니다. 가장 활발한 곳은 LG화학입니다.

LG화학은 2023년까지 세계 최대 CNT 생산능력(6100t 규모) 확보를 목표로 전기차 배터리 소재 수요 대응에 나섭니다. 이를 위해 현재 가동 중인 1·2공장(1700t)에 이어 3공장(1200t)을 증설하고 있습니다. 또 2023년 가동을 목표로 4공장(3200t) 착공에 들어갔습니다. LG화학은 생산 중인 CNT를 LG에너지솔루션 등 배터리 업체에 양극 도전재 용도로 공급할 방침입니다.

탄소나노튜브는 튜브를 이루는 탄소의 구조에 따라 △단일벽 탄소나노튜브(SW CNT) △이중벽 탄소나노튜브(DW CNT) △다중벽 탄소나노튜브(MW CNT)로 분류됩니다. LG화학은 실리콘 음극 소재로 활용되는 SW CNT도 개발하고 있습니다. 양극재 CNT보다 양산에 어려움이 있지만 러시아 옥시알 등 해외 업체들의 CNT 도전재를 대체해 나갈 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. LG화학은 MW CNT도 생산 중입니다. 양극재 내 전도도를 10% 이상 개선하면서 t당 가격은 SW CNT보다 저렴해 배터리 제조 단가를 낮추는 효과를 거둘 수 있습니다.
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LG화학 CNT 제품 모습. [사진=LG화학]


LG에너지솔루션은 양극 소재를 천연 흑연과 CNT를 섞어 사용합니다. 양극재 내부에 CNT 도전재 함량을 늘리고 천연 흑연 비중을 줄이는 방식을 적용합니다. 이 같은 방법은 양극재 내 한정된 공간에서 에너지 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있습니다. 이는 다른 도전재 사용량을 약 30% 줄여 양극재 용량 확대를 가능하게 합니다.

이 외에도 LG에너지솔루션은 기존 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 CNT 도전재와 실리콘 음극재를 결합해 높은 배터리 용량과 빠른 충전속도를 지닌 첨단 배터리 제조에 나섰습니다. 실리콘 음극재는 흑연보다 에너지 밀도와 충전속도가 대폭 개선된 것이 장점입니다.

에너지 전문 시장조사기관 SNE리서치에 따르면 MW CNT의 수요는 2020년 2000t에서 2030년 6만3000t으로 약 30배 늘어날 전망입니다. SW CNT는 2020년 1t에서 2030년 2만7500t으로 늘어난다고 합니다.

급등하는 전기차 수요와 함께 커지고 있는 CNT 시장에서 국내 기업들의 선전이 기대됩니다.
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