배터리 전극을 만들 때 활물질만으로는 충분하지 않습니다. 전자가 원활하게 이동할 수 있도록 도와주는 소재, 바로 ‘도전재’가 필요하죠. 도전재는 전극에 첨가되는 양은 적지만, 배터리의 충전 속도와 에너지 효율을 좌우하는 핵심 소재입니다.
특히 최근 배터리 업계에서 주목받는 도전재가 있는데요. 바로 CNT(Carbon Nanotube, 탄소나노튜브) 도전재입니다. CNT 도전재는 적은 양으로도 전도 경로를 형성해 배터리 성능을 개선하는 핵심 소재입니다.
이번 시간에는 도전재가 구체적으로 무엇인지, CNT 도전재가 왜 양극과 음극에서 필수 소재가 되고 있는지 알아보겠습니다.
*도전재가 쓰이는 공정 전지전능한 전지 이야기 – 전극 공정 속 공정 : 믹싱 공정 편 보러가기
도전재란?
도전재(Conductive Agent)는 배터리 전극 내부에서 활물질 사이의 전자 이동을 촉진하는 전도성 첨가제입니다. 이는 양극 활물질과 음극 활물질 사이를 연결해 전기적 특성을 갖추게 하는 역할을 합니다. 전극에 첨가되는 양은 적지만, 배터리의 내부 저항을 낮추고 성능 향상에 기여하는 중요한 소재입니다.
CNT 도전재란?
CNT(Carbon Nanotube, 탄소나노튜브) 도전재는 배터리 업계에서 핵심 소재로 주목받고 있습니다. CNT 도전재를 활용하면 카본 블랙 도전재보다 더 적은 양으로도 전자의 이동 통로를 더 견고하게 만들 수 있습니다. 기존 카본 블랙의 약 20%만 첨가해도 비슷한 전도 성능을 낼 수 있죠.
CNT 도전재의 구조와 물성
CNT 도전재는 6개의 탄소 원자가 육각 그래핀 형태로 배열된 층이 말려 형성된 소재입니다. 이로 인해 지름 약 1나노미터 크기의 튜브 구조를 가지고 있습니다. 또 CNT 도전재의 기계적 강도는 강철의 약 100배이며, 전기 전도도는 구리에 버금가는 수준입니다. 지름은 머리카락 한 올의 10만 분의 1에 불과하지만, 뛰어난 물성을 동시에 갖추고 있는 것이죠.
앞서 살펴보았듯, 양극재에 CNT 도전재를 적용하면 도전재 사용량을 기존 카본 블랙 대비 약 20% 수준으로 줄일 수 있습니다. 그리고 줄어든 도전재의 양 만큼 활물질을 더 투입해 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 또한 CNT 도전재를 양극 도전재로 사용하면 기존 카본 블랙 대비 약 10% 이상 높은 전도도를 구현할 수 있습니다.
CNT의 종류, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) & 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)
CNT 도전재는 튜브의 겹 수에 따라 두 가지로 구분되는데요. 바로 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled CNT, 이하 MWCNT)과 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled CNT, 이하 SWCNT)입니다.
다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled CNT, 이하 MWCNT)
단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled CNT, 이하 SWCNT)
- 그래핀 한 겹 구조
- 유연성과 전도성 뛰어남
- 실리콘 음극재 적합
왜 실리콘 음극재에는 CNT 도전재가 필요할까?
흑연 음극재는 자체적으로 전기 전도성을 갖고 있어 도전재 의존도가 낮았습니다. 그러나 최근 배터리 에너지 밀도를 높이기 위해 실리콘 음극재를 개발하면서, CNT 도전재의 중요성이 부각되고 있습니다.
실리콘은 충·방전 과정에서 리튬이온과 반응해 부피가 팽창되는 특성이 있습니다. 이때 CNT 도전재가 구조가 깨지지 않게 지지해주는 역할을 합니다. 따라서 실리콘 음극재에 CNT 도전재를 함께 사용하면 실리콘 입자가 깨지는 것을 막아주고, 전기 전도성을 높여 배터리 수명을 향상시키고 충전 시간을 확보할 수 있습니다.
즉 CNT 도전재는 실리콘 음극재의 약점을 보완할 수 있는 해결책이라고 볼 수 있죠.
CNT 도전재 시장 전망은?
SNE리서치에 따르면, 이차전지용 도전재 시장 규모는 2021년 약 6,500억 원에서 2025년 약 1조 7,800억 원, 2035년 약 3조 700억 원에 달할 전망이며, 연평균 성장률은 11.7%으로 전망됩니다.1
특히 주목할 점은 CNT 도전재의 종류별 시장 전망입니다. 2025년부터 2035년까지 MWCNT 수요는 약 3배, SWCNT 수요는 약 300배 증가할 것으로 예상됩니다. MWCNT 시장은 2025년 9,600억 원에서 2035년 1조 8,700억 원으로, SWCNT 시장은 2025년 500억 원에서 2035년 9,300억 원으로 급성장이 전망되고 있죠.2
핵심 Q&A
Q. 도전재란 무엇인가요?
도전재는 전극 내부에서 전자 이동을 돕는 전도성 첨가 소재입니다.
Q. CNT와 카본 블랙의 차이는?
CNT는 선형 네트워크 구조로 더 적은 양으로 높은 전도성을 구현합니다.
Q. 왜 실리콘 음극재에 CNT가 필요한가요?
부피 팽창을 억제하고 전도성을 유지해 수명을 개선하기 때문입니다.
Q. MWCNT와 SWCNT의 차이는?
MWCNT는 다층 구조로 형성된 안정적인 전도 네트워크를 기반으로 양극재에서 대량 적용에 유리하며, SWCNT는 단일층 구조에서 비롯된 높은 유연성과 전도 특성으로 실리콘 음극재의 부피 팽창을 억제하는 데 효과적입니다.
작지만 강한 CNT 도전재. 양극에서는 에너지 밀도를 높이고, 음극에서는 실리콘의 구조적 약점을 보완하며, 배터리 전체의 성능과 수명을 끌어올리는 핵심 소재입니다. 전기차 배터리 기술이 진화할수록 CNT 도전재의 역할은 더욱 커질 것으로 보이는데요. 이 소재가 앞으로 배터리 업계에 얼마나 큰 변화를 가져올지 계속 지켜봐주세요!
