01 리튬이차전지용 음극 활물질

1. 실리콘 입자의 나노화 : 비용증가 부담이 큼

2. 실리콘 입자의 표면에 열분해탄소 등을 코팅

3. 흑연 음극재에 소량의 실리콘 입자를 혼합하여 사용

4. 실리콘입자와 나노탄소입자와의 복합화

• 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도, 장수명, 빠른 충전속도와 경량 등의 장점을 가지고 있으나, 안전성, 높은 가격 및 폐기 등의 문제점을 동시에 보유하고 있다. 음극재는 배터리 재료비의 약 14%를 차지하고 있으며, 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다 방출함으로써 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.
• 현재 음극재는 규칙적인 층상구조로 되어있는 흑연을 주로 사용하고 있으며, 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉜다. 천연흑연은 리튬이온을 보관할 수 있는 가장 안정적이면서 저렴한 재료였으나, 사용 중 팽창 문제로 구조적 안정성이 점차 떨어지자 이를 개선한 인조흑연의 사용 비중이 점차 높아지는 상황이다. 인조흑연은 3000℃ 의 고온 열처리를 통해 만들어져 천연흑연에 비해 결정성이 높고 구조가 더 균일해 안정성이 높다.
• 2025년까지 전체 음극활물질 수요량이 약 136만 톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 전망되며, 이 가운데 인조흑연은 2019년 53%에서 2025년 60%로 소폭 증가할 것으로 보이며, 두 번째로 높은 비중을 차지하는 천연흑연은 43%에서 28%로 비중이 감소하지만, 여전히 인조흑연에 이어 가장 많이 사용되는 음극활물질이 될 것으로 보인다.
• 실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리를 늘리고, 급속 충전 설계가 용이하므로 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제적인 소재이기도 하다. 이 같은 장점에도 불구하고 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 부피가 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 비가역성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 진행하고 있으며, 배터리의 부피 팽창 부작용을 어떻게 빨리 개선하느냐가 시장 주도권을 확보할 수 있는 포인트가 될 것이라 보고 있다.

02 우주항공 및 핵융합로용 고성능 탄소재료

• 탄소재료는 우주항공산업에 필수적인 핵심소재로써, 발사체의 구조재는 물론, 우주발사체의 노즐 등에 사용되고 있으며, 특히 군사용으로의 용도확대가 이루어지고 있다. 이러한 탄소재료는 대부분 미국을 비롯한 유럽의 몇개 국만이 기술을 보유하고 있으며, 역외로의 기술유출을 엄격히 통제하고 있다. 국내에서 우주용 발사체 개발을 시작하고나서 고품질의 고밀도 흑연성형체 및 탄소/탄소 복합재료의 수입을 추진하였으나, 일정 사거리 이상의 제품은 수입이 불가능 하였으며, 최근에 이러한 통제가 조금씩 풀리게 되었으며, 군사용 목적으로 사용되는 다연장 로켓 등 중단거리용에 사용되는 노즐용 흑연 성형체는 보다 자유롭게 수입이 이루어지게 되었다. 그러나 이러한 우주항공용 첨단소재는 언제 다시 규제를 하게 될지 모르므로 반드시 내재화가 필요하다.
• 탄소 소재는 탄소섬유, 활성탄소, 인조흑연, 탄소나노튜브(CNT) 등 경량, 고강도 등 우수한 물성을 가지는 소재로서 탄소섬유 복합재는 도심 항공교통(UAM), 우주발사체 등에 사용되고, 고밀도 등방성 흑연 성형체는 반도체 및 원자로 분야 등 첨단산업의 핵심소재로 활용되는 등 성장 잠재력이 큰 분야이다. 그러나, 납품 이력(트랙 레코드) 부족 등의 이유로 국내 탄소소재 기업들의 글로벌 판로확보나 기술력 확충에는 한계가 있다.
• 반도체 산업에 있어서 흑연부품은 없어서는 안되는 필수소재일 뿐만 아니라, 제철, 금속분야의 핵심소재이다. 또한 청정에너지인 수소 생산 시스템의 하나로 인식되고 있는 고온가스로(HTGR) 및 핵융합로에는 반드시 필요한 소재 중의 하나이다.
• 우주항공·방산 산업은 경제발전과 국가안보의 핵심산업이자 미래 먹거리 산업이다. 우주산업은 경제·산업적 측면에서 뿐만이 아니라 국방, 안보 등 국민의 안전과 밀접하게 연관된 산업으로 우주산업은 지속적으로 성장할 전망이다.
• 탄소섬유 강화 열가소성 복합재료는 기존의 열경화성 복합재료를 대체할 뿐만 아니라, 폭넓은 응용이 가능한 첨단소재로써 다양한 산업에서 사용될 것으로 전망된다. 특히 전기자동차의 보급확대로 탄소섬유 강화 복합재의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되며, 드론택시나 고속 운반선, 대중교통 수단인 버스 등의 구조재로서의 적용을 검토하고 있다.