배터리 전극 공정의 첫 단계인 믹싱 공정에서 짧게 설명드린 용어가 있는데요. 바로 ‘도전재’입니다. 양극 활물질을 섞는 과정에서 전자 전도 물질인 ‘도전재’를 넣어야 한다고 설명드린 바 있었죠. 이번 시간에는 도전재가 구체적으로 무엇인지, 그리고 요즘 가장 잘나가는 도전재 종류는 무엇인지 함께 알아보도록 하겠습니다.
도전재란?
도전재란 양극 활물질과 음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 물질입니다. 다시 말해, 활물질 사이를 연결하여 전기적 특성을 갖추게 하는데요. 비록 전극에 첨가되는 양은 적지만 배터리의 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
CNT 도전재
최근 주목받고 있는 CNT(Carbon Nanotube) 도전재는 기존의 도전재보다 더 적은 양으로도 전자의 이동 통로를 더 튼튼하게 만들 수 있다고 합니다. 그럼 CNT 도전재는 어떤 성질을 가지고 있기에 더 적은 양으로도 활물질 사이를 연결할 수 있는 걸까요?
CNT 도전재의 특징
CNT는 6개의 탄소 원자가 수평의 육각 망면 형태로 배열된 그래핀 레이어(Graphene Layer)가 말려져 있는 지름 1 나노미터 크기의 튜브 형태를 띠고 있습니다. CNT는 긴 길이의 선형 도전재로, 지름은 머리카락 한 올의 10만 분의 1에 불과하지만 강도는 강철보다 100배가량 뛰어나다고 하는데요. 이뿐만 아니라, 전기 전도도는 구리에 버금가는 높은 수준입니다.
또한 CNT 도전재를 양극재에 첨가하면 도전재의 양을 기존 대비 1/5 수준으로 줄일 수 있습니다. 대신 활물질을 더 투입하여 에너지밀도를 향상시킬 수 있는데요. 기존 카본 블랙 소재의 도전재 보다 전기 전도도가 높아 카본 블랙의 20%만 첨가해도 비슷한 성능을 낼 수 있기 때문에 가격 경쟁력도 갖출 수 있습니다.
CNT 도전재의 활용
CNT 도전재를 음극재에 사용할 경우에는 다른 효과를 볼 수 있는데요. 특히 실리콘 활물질이 적용된 음극에 CNT 도전재를 첨가하면, 실리콘 활물질의 큰 수축·팽창에도 견고한 도전 네트워크(Network)가 유지돼 셀 수명이 크게 향상하고, 기존 흑연 대비 고용량 실리콘 활물질에 의해 전극 두께도 크게 줄일 수 있어 급속충전에 유리합니다. 즉, 배터리의 수명을 향상시키고, 충전 시간을 단축시킬 수 있죠.
이러한 특성 때문에 CNT 도전재 시장 규모는 2021년 4,645억 원에서 2027년에는 2조 3,917억 원 규모로 크게 성장할 것으로 예상하고 있습니다. 작지만 강한 CNT 도전재가 앞으로 배터리 업계와 시장에 어떠한 변화를 가져올지, 지켜볼 필요가 있겠죠?