[요약]
- 리튬이온 배터리용 음극재로 사용되는 흑연은 전기자동차에 사용되는 광물 중 가장 많은 분량을 차지하는 핵심 소재로, 전기차 생산량 증가에 따라 수요가 급증할 것으로 전망
- 흑연의 주 생산지는 중국으로 원자재 안보 문제가 대두될 수 있으나, 석탄을 이용한 음극재 제조 기술을 개발함으로써, 미국 내의 공급원 확보와 석탄 폐기물의 새로운 시장 창출 가능
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미국 국립에너지기술연구소(NETL)의 지원을 받은 미국 X-MAT社가 경제적이고 환경 친화적인 리튬이온 배터리용 음극재 소재 기술을 개발
- 리튬이온 배터리의 4대 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이며, 이 중 음극재로 현재 가장 널리 사용되는 소재는 흑연(Graphite)으로, 리튬이온 배터리 산업에서 없어서는 안 될 핵심 소재
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- (배터리 음극재) 리튬이온 배터리의 음극재는 주로 구리 호일 위에 흑연을 증착하여 사용하며, 배터리 무게와 비용 측면에서 볼 때 흑연이 차지하는 비율이 상당
- 일반적으로 전기자동차 1대에 340kg(차량 프레임인 철·알루미늄 제외)의 광물이 사용되는데, 이중 천연 흑연이 66kg 정도를 차지
- (배터리 음극재) 리튬이온 배터리의 음극재는 주로 구리 호일 위에 흑연을 증착하여 사용하며, 배터리 무게와 비용 측면에서 볼 때 흑연이 차지하는 비율이 상당
< 전기자동차에 사용되는 광물의 종류 및 사용량 >
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- 세계 전기자동차 시장이 급성장하면서 배터리 음극재의 핵심 원료인 흑연의 수요가 급증하여, ’25년 전체 흑연 생산량의 66%, ’30년에는 79% 가량이 배터리 산업에 사용될 것으로 전망
- 현재 천연 흑연은 79%가 중국에서 생산되고 있으며, ‘22년 중국에서 생산된 흑연 생산량은 전년 대비 1.5배 증가한 400만 톤을 넘었음에도 불구하고, 공급 부족이 점차 심화하는 중
- 최근 국제에너지기구(IEA)가 ’20년 대비 40년에 흑연 수요가 25배 이상 증가할 것으로 전망함에 따라, 흑연 공급의 불안정성이 커지고 있는 상황
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- 이에 미국 X-MAT社는 NETL의 지원을 받아 석탄 폐기물에서 리튬이온 배터리의 음극재 소재를 제조하는 기술을 개발
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- (신규 개발) NETL은 석탄을 리튬이온 배터리용 음극재의 탄소 공급원으로 사용하는 ‘폴리머 유래 세라믹 복합 음극재 개발 프로젝트’를 위해 X-MAT에 100만 달러를 지원
- X-MAT 연구팀은 자신들이 개발한 수지 기반의 실리콘 성형 기술에 석탄을 결합하여 리튬이온 배터리용 탄소를 개발
- 개발된 음극재로 생산한 배터리를 일반 전기자동차(BEV)에 장착하여 테스트한 결과, 완전 충전과 방전을 1,000회 반복한 후에도 80%의 전기 저장 능력을 보전히여 충·방전 사이클 수명에서 우수한 결과를 표출
- (신규 개발) NETL은 석탄을 리튬이온 배터리용 음극재의 탄소 공급원으로 사용하는 ‘폴리머 유래 세라믹 복합 음극재 개발 프로젝트’를 위해 X-MAT에 100만 달러를 지원
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- (장점) 석탄 폐기물을 부가가치 소재로 활용하면 미국 내에서 음극재 공급원을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 활용처가 없던 석탄 폐기물에 대한 새로운 시장을 창출
- 동 기술은 타 기술에 비해 비용이 저렴하고 확장성이 높아, 급증하는 리튬이온 배터리용 음극재 수요에 대응할 수 있는 잠재력 보유
- 친환경적인 방식으로 배터리용 음극재 수요를 충족할 수 있으며, 소재의 공급원을 미국 내에서 확보할 수 있으므로 증가하는 배터리 수요에 따른 핵심 소재의 해외 의존도를 줄이는 데 도움
- 개발된 음극재를 사용한 18650 배터리 폼팩터에서 안정성이 확인되었으며, 석탄 폐기물의 활용을 통해 상당한 이익을 얻으면서도 기존 제품보다 적은 비용으로 높은 공칭 전압을 갖는 고실리콘 탄소 음극재로서의 가능성 확인
- (장점) 석탄 폐기물을 부가가치 소재로 활용하면 미국 내에서 음극재 공급원을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 활용처가 없던 석탄 폐기물에 대한 새로운 시장을 창출
[시사점]
- 전기자동차 수요가 급증함에 따라 리튬이온 배터리의 핵심 소재 중 하나인 음극재의 중요성이 점차 부각되고 있으며, 음극재 소재의 안정적 확보를 위한 주요 국가들의 움직임이 활발하게 진행
- 미국 NETL은 X-MAT 연구팀의 석탄 폐기물을 이용한 리튬이온 배터리용 음극재 개발 기술을 지원하여 우수한 성능의 음극재 실증을 확인하였고, 최근 배터리 혁신 센터(Battery Innovation Center)로부터 잠재력이 높은 기업이나 기술에 수여하는 Voltage Award를 수상할 정도의 기술력을 확인
- 신규 음극재 소재를 사용한 배터리에서 안정성과 경제성, 우수한 전기적 성능이 확인되었으므로, 향후 스케일업을 통한 파일럿 규모의 시제품 생산 및 안정적인 음극재 생산기반 확보를 위한 정부와 기업의 노력이 필요
[출처]
- NETL, WITH NETL SUPPORT, U.S. COMPANY DEVELOPS TECHNOLOGY THAT USES COAL WASTE IN LITHIUM-ION BATTERIES, 2023.7.19.
