<함께 보면 좋은 포스팅>
코팅에 사용되는 바인더는 일반적으로 배터리 전체 중량의 작은 비율에 불과하지만 배터리 셀 구성함에 있어 필수적이고
안전성, 에너지 밀도 및 용량 향상 등 다양한 이점을 제공합니다.
여러 역할을 하는 바인더
리튬이온 배터리에서 바인더는 다양한 기능을 합니다.
바인더는 배터리 구성 요소 중 하나로 배터리 제조 시 사용되는 각 원재료들을 잘 결속하고 집전체(알박, 동박)에 고르게 도포되는 것을 돕는 물질입니다. 리튬이온 배터리의 충방전을 위한 양/음극 활물질과 이러한 소재의 성능 향상에 도움을 주는 각종 도전재가 용매를 통해 믹싱 될 때, 바인더가 이러한 물질의 결속력을 유지시킵니다. 증점제라고도 부르는데 이는 달라붙는 성질, 접착력을 강화시키는 물질이기 때문입니다.
바인더는 유계 바인더와 수계 바인더로 나뉩니다.
유계 바인더는 회수, 수거 되어야 하고 환경 준수를 위한 추가 비용이 발생합니다. 반면 수계 바인더는 비용 및 환경 관점에서 선호되는 바인더입니다.
바인더를 선택할 때 몇 가지 고려해야 할 사항들이 있습니다.
바인더는 부산, 접착, 입자결합, 가혹 환경에서의 안정성 등 다양한 기능을 잘 수행해야 합니다.
또한, 배터리가 충전 방전될 때 성능을 촉진해야 합니다. 배터리는 수백 또는 수천 번의 충/방전 사이클 동안 용량이 퇴화될 수 있습니다. 바인더는 용량 유지에 중요한 역할을 합니다. 스마트폰 배터리의 경우 시간이 지남에 따라 배터리 용량이 퇴화되는 것이 새로운 스마트폰으로 단순히 교체하거나 서비스 센터에 방문해 배터리만 교체하면 되는 문제이지만 전기자동차 배터리의 경우 얘기가 더 심각해집니다. 따라서 배터리의 안정성, 궁극적으로는 배터리의 수명에 영향을 미치는 요소 중 하나인 바인더를 신중히 선택해야 합니다.
바인더는 또한 균열이 생기거나 결함이 생기지 않도록 어느 정도의 유연성을 갖추어야 합니다. 취성이 있는 경우 코팅 전극을 감거나 감싸는 제조 공정 중 전극 탈리, 크랙 등의 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.
양극과 음극 바인더
바인더는 결합되는 물질(활물질/도전재)에 따라 요구되는 기능, 특징이 조금 달라집니다.
양극 소재로 사용되는 니켈, 코발트, 망간(NCM)이 음극재 소재 대비(흑연, Si) 충방 전에 따른 부피 팽창 정도가 크기 않습니다. 따라서 양극 바인더는 기본적인 점착 기능만 요구됩니다.
반면, 음극의 경우 양극으로부터 이동한 리튬이온을 가능한 많이 저장한 뒤 다시 방전 시 내보내야 하기 때문에 부피 변화가 크 물질이 주로 사용됩니다. 가장 많이 사용되는 흑연의 경우 충/방전에 따른 부피 팽창률이 약 10%입니다. 최근 배터리 완성 세 제조 업체들이 적용하고 있는 Si 실리콘계 음극재의 경우 최대 400%까지 부피가 팽창하게 됩니다.
이러한 점 실리콘계 음극재의 실리콘 함량이 아직 5% 수준에 그치고 있습니다.
음극 바인더로는 SBR, CMC가 함께 쓰이고 있고
양극 바인더로는 PVdF가 사용되고 있습니다. PVdF바인더는 양극 슬러리 용매인 NMP를 이용합니다. NMP는 독성물질이기 때문에 회수시스템이 필요합니다. 이러한 환경 문제로 부터 자유로운 수계 바인더, 용매가 개발되고 있지만 양극에 수계물질을 적용하게 되면, 슬러리의 산도(pH)가 상승되어 균일한 조성의 슬러리를 얻기가 힘듭니다.
CMC는 음극재의 주원료인 흑연과 음극 용매인 물과 모두 친화적 성질을 띄고 있습니다. 때문에 슬러리 물질 간 증점에 유리합니다. 다시 말해 흑연은 용액 내 가라앉는 경향이 있는데 CMC가 이를 억제하고 음극 슬러리 분산성에 도움을 주는 역할을 하게 됩니다.
배터리의 고용량화와 바인더의 중요성
환경 인식이 높아짐에 따라 자동차 산업에서는 전동화를 통한 전기자동차 보급 및 리튬이온 배터리의 고용량화 실현을 위한 노력이 한창입니다. 이런 이유로 기존 흑연보다 이론 용량이 큰 실리콘계 음극재 활용이 되고 있습니다.
하지만, 실리콘계 음극재는 충전 시 부피가 팽창하는 문제를 갖고 있습니다. 즉, 충방전과 함께 부피의 팽창, 수축이 일어납니다. 다시 말해 실리콘계 음극재 사용의 문제는 충방전으로 인한 부피팽창 수축이 반복되는 과정에서의 활물질과 집전체 간 분리 현상이 발생한다는 점입니다.
따라서 코팅막 강도가 우수한 바인더를 선정하여 활물질 팽창/수축에도 접착력을 유지하여 리튬이온 배터리의 성능을 유지하는 것이 중요합니다.
국내음극재 바인더 업체(한솔케미컬, 금호석유화학)
그동안 음극재 바인더로 일본의 JSR, 제온과 같은 일본 기업의 제품에 의존해 왔습니다. 하지만 2019 화이트리스트 이슈와 함께 소부장의 국산화 필요성이 대두되었습니다. 이후 가장 먼저 한솔케미컬이 바인더 제품 개발에 성공해 국내 주요 완성 셀 제조 업체인 SK온과 삼성 SDI에 공급하고 있습니다.
금호석유화학도 기존 NB라텍스 분야 기술을 바탕으로 음극재 바인더 개발 및 상용화에 성공했습니다. 업계에서도 일본 기업과 동등 수준의 성능을 인정받은 것으로 보도된 바 있습니다.
그렇지만 주가는 다른 2차 전지 소재주와 달리 곤두박질치고 있는데요
금호석유화학의 분기실적 및 공시자료를 살펴보았습니다.
2023년 영업이익, 당기순이익 및 영업이익률이 전년 대비 반토막 날 것으로 추정되고 있습니다.
또한 매출실적에서 음극바인더는 확인할 수 없습니다. 아직 개발 중이란 말이겠죠?
저기 합성고무에 표기된 SBR은 음극재 바인더가 아니라 타이어에 필요한 합성고무를 의미합니다.
반면 한솔케미컬은 횡보는 하고 있지만 이미 많이 올랐었고 금호석유화학만큼 곤두박질 치진 않았습니다.
역시 전자공시를 살펴보았습니다. 한솔케미컬의 경우 사업의 개요부터 매출실적으로 까지 음극 바인더 관련 내용이 언급되어 있는 것을 확인할 수 있습니다.
'2차전지, 전기자동차' 카테고리의 다른 글
| 2차전지 전기차 리튬이온 배터리의 4대 구성요소와 배터리 원가 구조 (0) | 2023.09.03 |
|---|---|
| 2차전지 믹싱 공정과 믹서 장비 관련주 윤성에프앤씨, TSI 티에스아이 (0) | 2023.08.27 |
| 2차전지 금형, 레이저노칭 공정 비교 2차전지관련주 레이저노칭 장비업체 디이엔티 (0) | 2023.08.06 |
| 2차전지 장비업체, 롤투롤 장비의 이해, 국내 주요 롤투롤 장비 업체(피엔티, 씨아이에스, 디이엔티) (0) | 2023.07.22 |
| 리튬이온전지 양극재의 특징과 국내 양극재 기업 및 IRA에 따른 사업전략 방향 (0) | 2023.07.09 |
댓글