차세대 배터리 필수 물질 ‘CNT 도전재’ 뜬다

전기차 배터리 성능을 향상시키는 CNT 도전재가 업계에서 주목받고 있다. [GettyImages]

전기차 시대로 대전환이 가속화하면서 배터리 기술 확보 경쟁도 치열해지고 있다. 글로벌 자동차와 배터리 기업은 더 빠르게 충전해 더 멀리 주행하는 차세대 배터리 개발에 총력을 기울이고 있다. 최근 탄소나노튜브(CNT) 도전재(전류 전도 물질)가 주목받는 것도 이를 통해 차세대 배터리로 한발 더 나아갈 수 있기 때문이다.

현재 전기차에 사용되는 2차전지는 크게 양극재, 음극재, 전해액, 분리막으로 구성된다(그림 참조). 양극재는 배터리 용량을 결정하고, 음극재는 이온을 저장하는 역할로 충전 속도를 결정하며, 분리막은 양극재와 음극재를 물리적으로 차단하는 역할을 한다. 전해액은 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는다. 이 중 2차전지의 충전과 배터리 수명을 결정하는 핵심 요소는 양극재와 음극재다. 양극재와 음극재는 활물질, 극판(알루미늄박, 동박) 도전재, 바인더로 구성되는데, 그동안 시장의 관심은 활물질에 집중됐다. 양극 활물질은 리튬 이온을 갖고 있다 배터리를 충전할 때 음극으로 리튬 이온을 이동시키는 역할을 함으로써 배터리 용량과 출력에 영향을 미친다. 음극 활물질은 배터리 방전 시 양극에서 이동해온 리튬 이온을 저장하고 방출해 전기에너지를 만든다. 음극 활물질로는 리튬 이온의 이동에 안정적인 흑연이 주로 사용되는데, 최근 흑연보다 실리콘이 더 주목받고 있다. 실리콘 음극재는 흑연에 실리콘을 일부 배합하는 방식으로 제작돼 기존 음극재보다 에너지 밀도가 최소 3배 이상 높아 배터리 충전 시간이 빠르다.

실리콘 음극재 보완

최근 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 기업들도 전기차 주행거리 향상 및 충전시간 단축을 위해 실리콘 음극재 비중을 늘리고 있다. 업계에 따르면 실리콘 음극재 수요는 2025년까지 연평균 약 70%씩 고속 성장할 전망이다. 2021년 4000t이던 시장 규모는 2030년 20만t 이상 규모로 커질 것으로 예상된다.

단, 실리콘 음극재가 배터리에 본격적으로 사용되려면 충전과 방전을 반복할수록 실리콘 입자가 파괴되는 문제점을 해결해야 한다. 실리콘 입자가 파괴되면 배터리 충전 속도가 느려지고 용량이 줄어들기 때문이다. 이런 실리콘 음극재의 단점을 보완해주는 것이 바로 CNT 도전재다. 도전재는 리튬 이온이 양극과 음극을 더 잘 오가도록 하는 물질로, 배터리 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.

CNT 도전재는 탄소 6개가 육각형으로 말려 있는 지름 1㎚(나노미터: 1m의 10억 분의 1)의 튜브 형태다. 강도는 강철보다 100배가량 강하고, 전기 전도도는 구리와 비슷하게 높다. CNT 도전재는 일반적으로 양극재용 MWCNT(Multi-Walled CNT)와 음극재용 SWCNT(Single-Walled CNT)로 나뉜다. MWCNT는 기존 양극재 도전재로 사용 중인 카본블랙보다 효과가 우수해 적은 양을 사용해도 더 나은 효과를 얻을 수 있다. MWCNT를 사용하면 도전재 양이 줄어든 만큼 양극재를 더 채울 수 있어 결국 배터리 성능과 수명이 향상되는 것이다. SWCNT는 실리콘 음극재의 실리콘 함량을 높이는 과정에서 발생하는 음극재 부피 팽창 문제를 제어한다.

업계에 따르면 CNT 도전재 수요는 2021년 5000t에서 2030년 7만t 규모로 연평균 30% 이상 성장세가 예상된다. 이에 따라 CNT 도전재 시장 규모는 2021년 4600억 원에서 2030년 약 3조 원 규모로 성장할 전망이다. 이 때문에 시장의 관심은 CNT 도전재를 생산하는 국내 기업으로 쏠리고 있다. LG화학과 동진쎄미켐은 양극재 CNT만 생산하며, 나노신소재는 국내에서 유일하게 양극재와 음극재 CNT를 모두 생산한다.

국내 기업들 제조 경쟁력 강화

LG화학은 일찌감치 CNT 도전재를 미래 먹거리로 점찍고 적극적으로 투자하고 있다. 2017년 500t 규모의 CNT 1공장을 처음 가동한 이후 2020년대 들어서는 매년 CNT 공장을 증설해 현재 4공장을 신설 중이다. CNT 4공장이 완공되면 LG화학의 CNT 생산능력은 1·2공장(1700t)과 현재 증설 중인 3공장(1200t)을 포함해 연간 총 6100t에 이르게 된다(표 참조). LG화학은 현재 1700t 규모의 CNT 생산량을 2026년까지 5배 이상으로 확대해 시장점유율을 높여나갈 계획이다.

김현수 하나증권 연구원은 “동진쎄미켐은 스웨덴 배터리 개발 기업 ‘노스볼트’와 CNT 도전재 장기 공급 계약을 체결해 연간 약 700억 원 규모의 매출이 발생할 전망”이며 “국내에서 유일하게 양극재, 음극재 CNT 도전재를 모두 생산하는 나노신소재는 북미 지역에 공장을 신설할 예정으로 현재 6000t 규모의 CNT 도전재 생산량을 1만5000t 수준까지 확대한다는 계획”이라고 설명했다. 김 연구원은 또한 “CNT 시장 규모는 올해 약 4600억 원에서 2027년 2조5000억 원 수준으로 성장할 전망”이라면서 “LG화학, 동진쎄미켐, 나노신소재처럼 기술적 우위를 점한 기업들을 주목할 필요가 있다”고 밝혔다.