電氣車 時代로 大轉換이 加速化하면서 배터리 技術 確保 競爭도 熾烈해지고 있다. 글로벌 自動車와 배터리 企業은 더 빠르게 充電해 더 멀리 走行하는 次世代 배터리 開發에 總力을 기울이고 있다. 最近 炭素나노튜브(CNT) 挑戰재(電流 傳導 物質)가 注目받는 것도 이를 통해 次世代 배터리로 한발 더 나아갈 수 있기 때문이다.

現在 電氣車에 使用되는 2差電池는 크게 兩極財, 陰極材, 電解液, 分離膜으로 構成된다(그림 參照). 兩極財는 배터리 容量을 決定하고, 陰極材는 이온을 貯藏하는 役割로 充電 速度를 決定하며, 分離幕은 兩極財와 陰極材를 物理的으로 遮斷하는 役割을 한다. 電解液은 이온이 원활하게 移動할 수 있도록 돕는다. 이 中 2差電池의 充電과 배터리 壽命을 決定하는 核心 要素는 兩極財와 陰極材다. 兩極財와 陰極材는 活物質, 極板(알루미늄박, 銅箔) 挑戰재, 바인더로 構成되는데, 그동안 市場의 關心은 活物質에 集中됐다. 兩極 活物質은 리튬 이온을 갖고 있다 배터리를 充電할 때 陰極으로 리튬 이온을 移動시키는 役割을 함으로써 배터리 容量과 出力에 影響을 미친다. 陰極 活物質은 배터리 放電 時 陽極에서 移動해온 리튬 이온을 貯藏하고 放出해 電氣에너지를 만든다. 陰極 活物質로는 리튬 이온의 移動에 安定的인 黑鉛이 主로 使用되는데, 最近 黑鉛보다 실리콘이 더 注目받고 있다. 실리콘 陰極材는 黑鉛에 실리콘을 一部 配合하는 方式으로 製作돼 旣存 陰極材보다 에너지 密度가 最少 3倍 以上 높아 배터리 充電 時間이 빠르다.

실리콘 陰極材 補完

最近 LG에너지솔루션, 三星SDI, SK온 等 國內 배터리 企業들도 電氣車 走行距離 向上 및 充電時間 短縮을 위해 실리콘 陰極材 比重을 늘리고 있다. 業界에 따르면 실리콘 陰極材 需要는 2025年까지 年平均 約 70%씩 高速 成長할 展望이다. 2021年 4000t이던 市場 規模는 2030年 20萬t 以上 規模로 커질 것으로 豫想된다.

單, 실리콘 陰極材가 배터리에 本格的으로 使用되려면 充電과 放電을 反復할수록 실리콘 粒子가 破壞되는 問題點을 解決해야 한다. 실리콘 粒子가 破壞되면 배터리 充電 速度가 느려지고 容量이 줄어들기 때문이다. 이런 실리콘 陰極材의 短點을 補完해주는 것이 바로 CNT 挑戰재다. 挑戰재는 리튬 이온이 陽極과 陰極을 더 잘 오가도록 하는 物質로, 배터리 性能을 向上시키는 데 重要한 役割을 한다.

CNT 挑戰재는 炭素 6個가 六角形으로 말려 있는 지름 1㎚(나노미터: 1m의 10億 分의 1)의 튜브 形態다. 强度는 鋼鐵보다 100倍假量 剛하고, 電氣 傳導度는 구리와 비슷하게 높다. CNT 挑戰재는 一般的으로 兩極財龍 MWCNT(Multi-Walled CNT)와 陰極材龍 SWCNT(Single-Walled CNT)로 나뉜다. MWCNT는 旣存 兩極財 挑戰재로 使用 中인 카본블랙보다 效果가 優秀해 적은 量을 使用해도 더 나은 效果를 얻을 수 있다. MWCNT를 使用하면 挑戰재 量이 줄어든 만큼 兩極財를 더 채울 수 있어 結局 배터리 性能과 壽命이 向上되는 것이다. SWCNT는 실리콘 陰極材의 실리콘 含量을 높이는 過程에서 發生하는 陰極材 부피 膨脹 問題를 制御한다.



業界에 따르면 CNT 挑戰재 需要는 2021年 5000t에서 2030年 7萬t 規模로 年平均 30% 以上 成長勢가 豫想된다. 이에 따라 CNT 挑戰재 市場 規模는 2021年 4600億 원에서 2030年 約 3兆 원 規模로 成長할 展望이다. 이 때문에 市場의 關心은 CNT 挑戰재를 生産하는 國內 企業으로 쏠리고 있다. LG化學과 동진쎄미켐은 兩極財 CNT만 生産하며, 나노新素材는 國內에서 唯一하게 兩極財와 陰極材 CNT를 모두 生産한다.

國內 企業들 製造 競爭力 强化

LG化學은 일찌감치 CNT 挑戰재를 未來 먹거리로 점찍고 積極的으로 投資하고 있다. 2017年 500t 規模의 CNT 1工場을 처음 稼動한 以後 2020年代 들어서는 每年 CNT 工場을 增設해 現在 4工場을 新設 中이다. CNT 4工場이 完工되면 LG化學의 CNT 生産能力은 1·2工場(1700t)과 現在 增設 中인 3工場(1200t)을 包含해 年間 總 6100t에 이르게 된다(표 參照). LG化學은 現在 1700t 規模의 CNT 生産量을 2026年까지 5倍 以上으로 擴大해 市場占有率을 높여나갈 計劃이다.

김현수 하나증권 硏究員은 “동진쎄미켐은 스웨덴 배터리 開發 企業 ‘노스볼트’와 CNT 挑戰재 長期 供給 契約을 締結해 年間 約 700億 원 規模의 賣出이 發生할 展望”이며 “國內에서 唯一하게 兩極財, 陰極材 CNT 挑戰재를 모두 生産하는 나노新素材는 北美 地域에 工場을 新設할 豫定으로 現在 6000t 規模의 CNT 挑戰재 生産量을 1萬5000t 水準까지 擴大한다는 計劃”이라고 說明했다. 金 硏究員은 또한 “CNT 市場 規模는 올해 約 4600億 원에서 2027年 2兆5000億 원 水準으로 成長할 展望”이라면서 “LG化學, 동진쎄미켐, 나노新素材처럼 技術的 優位를 占한 企業들을 注目할 必要가 있다”고 밝혔다.

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