실리콘 음극재 배터리를 만들기 위해 꼭 필요한 소재는?

2차전지 음극재 개요 (이베스트)

리튬이온 배터리에서 음극재는 양극재에 모여있던 리튬이온을 받아들이는 역할을 한다. 현재는 가성비가 좋은 흑연을 사용하고 있지만, 용량이 320~370mAh/g 수준으로 높지 않은 상황이다.

양극재는 NCM, NCA, NCMA를 포함한 High-니켈 양극재 개발이 잘 이루어지고 있지만, 음극재는 양극재 대비 기술 발전이 느린 상황이다.

하지만, 이제 양극재의 기술발전은 점점 saturation 되어가고 있는 상황이 되다보니 음극재의 발전에 시선이 쏠리고 있다.

실리콘 음극재 개요

음극재 개선의 가장 강력한 후보는 용량이 3,000~4,000mAh/g인 실리콘계 음극재이며, 부피 및 무게 대비 용량이 크다보니 당연히 에너지 밀도가 높아질 수 있게 된다.

관련 기업으로는 대주전자재료가 LG화학/SK이노베이션에 공급 및 공급예정이며, 한솔케미칼이 삼성SDI에 공급할 것으로 예상되는 상황이다.

실리콘 음극재의 팽창 및 깨짐(미분화)

그러나, 실리콘 음극재는 충방전시 부피팽창이 심하며 깨짐성이 높다. 즉, 충방전을 여러번 반복하게되면 음극재가 동박에서 떨어져나가는 일이 발생하게 되며 수명이 감소하게 된다.

이를 해결하기 위해서는 3가지 정도의 방안이 있다.
1) 음극활물질 개선
2) 음극용 바인더 개선
3) 음극용 CNT 도전재 

여기서 Si-O, Si-C 음극활물질과 CNT 도전재는 이미 잘 알려져 있으나, 음극용 바인더의 중요성은 잘 알려지지 않은 상황이다.

실리콘 음극재 적용을 위한 기술 개발 - 활물질, 바인더 소재

앞서 말했듯이, 실리콘 음극재는 깨짐성 때문에 충방전이 진행됨에 따라 소재 끼리, 그리고 동박에서 떨어질 위험성이 커지게 된다.

그 결과, 기존의 PVDF(유기계) 바인더는 더 이상 실리콘 음극재에 적용이 불가해 졌으며, PAA/CMC/SBR 등의 수계 바인더 개발 및 적용이 필요해졌다.

유기계 및 수계 바인더 적용 모식도

유기계 바인더는 선 접촉형인 반면, 유기계 바인더는 위 그림과 같이 점 점착형이기 때문에 고정력이 더욱 뛰어나다.

또한, 용매로써 물을 사용하기 때문에 환경적으로도 유리하다는 장점이 있다.

한솔케미칼 바인더

국내에서는 한솔케미칼이 국내 최초로 바인더를 국산화하여 삼성SDI와 SK이노베이션에 공급하고 있으며, LG화학은 내재화 하였다.

SK이노베이션은 21년 초에 출시 예정인 현대차 E-GMP에 실리콘계 음극재를 적용할 예정이기 때문에 한솔케미칼의 음극바인더 출하량이 크게 증가할 예정이며,

삼성SDI의 경우 21년 말 출시 예정인 Gen5 배터리가 실리콘 음극재를 적용한 최초의 각형 배터리이기 때문에 한솔케미칼의 바인더 출하량이 21년 말에 다시 한 번 크게 증가할 예정이다.

한솔케미칼은 기존에 증설한 바인더 공장의 가동률을 높여가며 매출액 또한 높여갈 것이며, 2020년 기준 150~200억, 2021년 기준 400~500억 정도의 바인더 매출이 발생할 것으로 추정된다.

바인더는 독점 생산이며 70~80%의 마진이 발생하는 고마진 제품이기 때문에, 400~500억 매출이 발생하면 300~400억의 증익 효과가 발생한다.

즉, 이익 300억에 PER 30을 적용하면 바인더 만으로도 시가총액 9,000억을 가정할 수 있다. 

한솔케미칼은 QD소재, 바인더, 비메모리용 프리커서 등 독점생산이 많다. 앞으로 실리콘음극재, 분리막 바인더 등이 추가될 것을 생각하면 현재 한솔케미칼의 시가총액 1조7천억원은 현저한 저평가 상태라고 판단할 수 있겠다.

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