안녕하세요
엔지니어 tv 입니다
이번 영상은
흑연 및 실리콘 음극재를
사라지게 만들
리튬메탈 기술에 대해서
알아보겠습니다
그러면
음극재 개발 로드맵을
리뷰해보겠습니다
여기 이 직선이
양극재 에너지 밀도
나무색이 음극재 로드맵 입니다
wh / kg
에너지 밀도 구조에서 보듯이
graphite 흑연 300 wh/kg
양극재 보다
음극재 가 높은 상황입니다
그라파이트 에너지 밀도가
워낙 높았기 때문에
지금 2020년까지
대부분 그라파이트 가 사용되었
지만
최근 ncm811 수준까지 올라오면서
양극재 에너지 밀도가 높아지니
음극재 에너지 밀도도
상향될 필요가 있게 된 것입니다
그래서 음극재 개선으로
처음 나온 것이 실리콘 입니다
위에 보면
순수 실리콘
에너지 밀도가 3600 wh/kg
아시다시피
실리콘 팽창 문제 때문에
흑연에 5% 미만 정도만 넣어서
기술을 구현하게 된 것
실리콘 기술의 대표적인 배터리
가
테슬라 파나소닉 21700 원형 배터리
실리콘 부품 기업 로드맵을 보면
산화 실리콘
실리콘 복합물로 추가 개선되면
서
용량은 400 wh/kg 정도 됩니다
그리고 향후 20% 를 넣으면
500 wh/kg 까지 될 수 있을 것이라는
자체 기술 로드맵을 가지고 있습니다
그래서 최근에
실리콘 기술이
상당히 활발히 개선되고 있는 상황
입니다
그래서 어떤 기업이
향후 주도권을 잡을 지 ?
알 수 없는 상황입니다
그리고 테슬라 배터리데이
이슈로 나온 것이
실리콘 나노 와이어 입니다
순수 실리콘 3600 wh/kg
실리콘 나노와이어 기술은 500 wh
/kg
그다음 나올 수 있는 것이
그래핀 인데
그래핀 음극재 는
실리콘 음극재 때문에
조금 뒤로 밀린
상황인 것으로 보입니다
그리고
지금 현재 리튬이온 배터리 구조
에서
향후 레벨 업이 되는
전고체 로 가기 전에
나와야 될 부분이
리튬메탈 음극재 기술입니다
리튬메탈은 순수 실리콘 보다
용량이 조금 높은
3840 와트 정도 됩니다
그래서
현재 사용되고 있는
흑연 실리콘 음극재 대비
상당히 에너지 밀도가 높은 음극
재
임을 알 수 있습니다
여기 이 그림은
제가 전고체 설명할 때
지속적으로 보여 드린 그림입니다
전체 적인 의미가
상당히 함축되어 있기 때문에
다시 설명을 드리면
gen 1
지금 현재 리튬이온 배터리 상태
보면 됩니다
이전에 음극 부분을
리튬메탈로 사용 해서
많은 연구가 이루어졌습니다
그 당시 리튬메탈 두께는 상당히
두꺼웠다
그리고 최근
실리콘 복합물을 첨가해서
음극 부분이 감소하면서
전체적인 에너지 밀도가
25% 증가하게 된 것입니다
여기에서 기준적으로
양극재는 동일하다
이야기를 드리는 겁니다
그 다음
리튬메탈이 적용 되면
기준 대비 에너지 밀도가
100% 이상 늘어날 수 있다
되는 것입니다
이 그림은 삼성전자 전고체 컨셉
입니다
앞부분에 설명드린
리튬메탈 수준이 여기입니다
삼성전자는
리튬메탈 음극재 보다
좀 더 진화된
전고체 컨셉을 이야기 한 것입니다
두께가 더 얇아졌어요
삼성전자가 이야기한 것은
은 탄소 나노 복합층 입니다
두께는 5 마이크로 정도죠
삼성전자 전고체 컨셉에서 도
양극재 부분은 변화가 없다
보고 있는 것입니다
그러니깐 지금 현 시점에서
변화의 핵심 포인트는
양극재는 한계에 왔고
음극재 개선이 시작되었다
이렇게 정리가 되겠습니다
삼성전자 전고체 컨셉에는
동박 집전체가 들어 있는 구조
여기에서 추가로 더 진행이 되면
current collector
연두색 동박
동박이 없어지는 것도
한 가지 진행 방향입니다
왜냐하면
원자재로 보면
구리의 가격이 비싸다는 것은
많이 알고 있는 부분입니다
추가로 양극재 도
리튬황 같은
차세대 양극재로 가면
추가로 더 얇아지게 되는 것이죠
그렇게 보면
거의 2 ~ 300% 정도
에너지 밀도가 높아질 수 있게
되는 것입니다
그리고 리튬메탈의 극복 과제는
?
이 부분도 많이 설명드렸지만
여기 li plating 코팅
리튬메탈 표면에
리튬이 이렇게 솟아나는
덴드라이트 라고도 하고
이게 솟아 나면
양극 부분과 쇼트 현상이 나타날
수 있다
이런 부분이 이제
향후 극복되야 될 과제
여기에도 보면
표면에
특수층 을 만들어서
li plating 코팅을 억제 하는
기술이 필요한 부분입니다
억제하는 층으로
탄소나노튜브가 적용된 그림인데
이것은 꼭 cnt 만 있는 것이 아니고
다양한 코팅층이 연구되고 있다
이것이
리튬메탈을 적용하기 위한
가장 중요한 과제로 볼 수 있겠습니다
리튬 기본적인 성질
알아보겠습니다
주기율표
수소 다음으로 나오는
가장 가벼운 금속입니다
여기 보면 뜨는 것을 볼 수 있습니다
상당히 무르기 때문에
쉽게 잘라집니다
표면이 드러나면
바로 질소와 결합되어
표면이 변함
바로 확인할 수 있습니다
물에 넣으면
수소가 발생하여
반응을 하게 됩니다
불을 붙이면 바로 불이 붙습니다
활활 타오르는
그래서 전기차 화재시
물을 뿌리면
큰 폭발이 일어날 수 있습니다
이런 리튬을 채굴을 할 수 있는
공간은
2가지 경우가 있는데
칠레 호수에서 채굴하는 방법
리튬을 채굴하는 광산 입니다
그 다음이 hardrock
돌에서 채굴하는 방법 입니다
돌에 들어 있는 리튬은
전 세계적으로 분포되어 있습니다
리튬 생산 대표적인 나라가
호주 칠레 중국 아르헨티나 입니다
보유량은 칠레 가 가장 많고
생산량은 호주가 많은 상황입니다
채굴 비용을 비교
가장 가격이 싼 것이 brine
브라인 : 염분을 다량으로 포함하고
있는 물
물을 말합니다
앞부분에 나온 칠레
호수 같은 곳에서
리튬을 추출하는 광산을
브라인 이라고 합니다
톤당 가격이죠
칠레 아르헨티나 브라인
$2000
그리고 호주 hardrock
$4000
거의 두 배 가까이 되지요
그리고 종류별로
지역별로 채굴 가격 차이가 있음
알 수 있습니다
리튬 금속 가격은
수요적인 측면에서 보면
2016년 기점으로
서서히 늘어나고 있습니다
가격은 수요와 비례하지 않고
급등락을 반복하면서
최근 안정화된 상태
그리고 테슬라도 최근
전기차 에서
배터리 원소재 까지
언급을 하고 있습니다
거기에서 나온 기업들
lithium america piedmont
중국 기업 간평리예
그리고 기업들이 광산에서 채굴
해서
1차 가공품인
수산화리튬 으로 만드는 과정에서
도
품질의 차이가 있습니다
여기에서 보면
알버말 이 가장 불순물이 적고
ganfeng 도 품질이 양호한 편입니다
기업별로 비교한다 그러면
이런 불순물이 얼마나 없느냐에
따라서
리튬 정재 기술을 대변할 수 있고
향후 리튬 메탈로 사용하기 위해서는
순도가 아주 중요하게
작용할 수도 있습니다
일단 어떤 광산에서 채굴하는냐
리튬 생산성을 대변 하는데
하드락에서 리튬의 상태
여기 보면
지하에서 올라오는
화산 작용하고 관계가 있습니다
산 사이 밑에
물이 날아가는 경우
용광로에서 녹아서
리튬이 모여 있는 경우
이렇듯 미국의 지역별로
광산 적합성 여부가 조사되고 있습니다
그래서 공정 프로세스를 보면
물과 공기와 sulfur
황 을 이용
합성을 해서
여기 보면
li2co3 탄산리튬 lioh 수산화리튬
만들게 됩니다
그래서 보통 유통되는 것들이
보면 ingot 을 만든다
금속 덩어리를 만듭니다
잉곳 ?
실리콘에서 많이 봤던
이 모양이죠
이게 실리콘 잉곳
반도체에 사용하기 위해서는
단면을 잘라내는 거죠
여기처럼
웨이퍼로 만들어 내는 겁니다
리튬메탈도 잉곳으로
강펑 자료를 보면
잉곳으로 만들어져 있죠
그다음 리튬 메탈로 넘어가기 위해서
lithium foil 상태로 만들면
배터리 쪽이나
다양한 용도로 사용하게 되는 것입니다
우리 일상에서
가장 쉽게 볼 수 있는 리튬메탈
이
에너자이저 리튬 건전지
있다고 합니다
일반 건전지 대비
9배 오래 사용 가능하고
에너지 보전기간도
20년 가는 건전지
이게 나온지가 오래됐는데
가격이 비싸서
저도 사용해 본 적은 없습니다
이것이 일반 aa 전지
리튬 건전지가 따로 있다고 합니다
가격이 1800 원 정도 한다고 합니다
에너자이즈 를 분해 해보면
원형전지 처럼 돌돌 말려 있죠
이것을 풀면
리튬메탈 부분이 보입니다
여기에 들어가는
리튬메탈 품질이 어느 정도인지
는
정확하게 모르겠지만
일회용으로 사용되는
리튬메탈 음극 입니다
이것이 포일 상태로 만든
전지용 리튬메탈 포일
지금 배터리에 넣기 위해서
펀칭으로 자르는 모습입니다
실험실에서 간이적으로 사용한다
든지
소량생산에 적합한 용도로 쓰는
것입니다
향후 이것이 품질 안정화 된다
고속으로 이제 생산하는 방법을
적용하게 될 것입니다
이렇듯
배터리에 사용하기 위해서는
리튬메탈 foil / sheet 와 같은 형태로
만들어야 됩니다
여기
캐나다 배터리 전문 연구소 인
히드로 퀘벡의 컨셉입니다
여기 리튬 잉곳을 넣고
힘으로
압출로 눌러서
뽑아내는
사출
금속을 눌러서
열을 가한다
뽑아 내어서
press rolling
lamination
당김을 통해서
필름으로 뽑아내는 방식을 사용
합니다
이것은 알루미늄 포일
비슷한 방법을 사용합니다
여기에
열 압연 기름을 사용한다든지
여러 가지 공정 프로세스 가 있는데
그 부분이 핵심 기술입니다
그리고 이렇게 뽑아낸 리튬을
바로 쓸 수 있는 것이 아니고
여기저기 표면 처리
인공 sei 를 만든다
리튬메탈이 바로
리튬과 반응하기 위해서는
흑연 앞부분에
sei 층이 생긴다는 것을
다른 영상에서 많이 설명드렸습니다
이 부분에
sei 층이 잘 만들어 져야지
배터리 성능이 보장 되는데
인공적으로 만들어 준다는 것
그러니 이런 리튬메탈 표면처리
를
어떻게 하느냐
현재 가장 중요한 연구과제
여기에도 보면
리튬메탈이 있고
구리 집전체 사이에도
특수한 층을 넣고
그리고 빨간색 부분
sei 층 이라고 볼 수 있죠
이 부분을
어떤 처리를 해야지
여기에는
저온 특성을 높이기 위한 그림입니다
이렇듯
리튬메탈 층에 어떤 처리를 하느냐
현재 가장 중요한 연구 과제 입니다
다시 봐도
이 그림이
가장 쉽게 설명된 부분입니다
여기 빨간 층을
어떤 물질을
어떤 방식으로 할 거냐
가장 중요한 연구 과제 이다
리튬메탈 자체는 만들기는 쉽지만
광산 기업들
어떻게 싸게 확보
리튬 메탈 코팅 방법을
연구소에서 집중 연구하는 거지
요
1차적으로는
리튬메탈이 적용될 때
전고체 기술을 적용해야 될 시점
그래서 전해질 도
액체에서 고체로 넘어가야 되는
가능성이 아주 높습니다
그래서 현재 전고체 전해질
네 가지 유형에서
리튬메탈과 가장 적합한 전해질
같이 개발 되어야지
리튬메탈 상용화도 진행될 수 있습니다
여기에서는 현재
산화물 전해질과
가장 매칭이 잘되는 것
나와 있습니다
인산염 방식으로 했을 경우
특성이 좋지 않다 라고 되어 있습니다
이 매트릭스 부분도
확정된 것이 아니고
이렇게 다양한 조건에서
현재 실험이 이루어지고 있기 때문에
리튬메탈을 개발하는 부분들
상당한 시간과 자본이 투입되어야
결과가 나올 수 있습니다
현시점 기준점에서 봤을 때
실리콘 복합물
25% 에너지 밀도가 높아지고
리튬메탈을 적용하면
100% 상승 하게 됩니다
여기까지가
양극 변화 없이
음극으로 가능한 부분이고
다음 단계로
양극재 까지
에너지 밀도를 100% 올려야 되고
여기 음극
동판 도 없어지게 되죠
그리고 리튬메탈 두께도 얇아진다
든지
아니면
또 다른 복합층을 적용하게 되면
2025년 정도 되면
지금보다 에너지 밀도가
두 배 이상 높아질 수 있는
배터리 기술이 완성될 것으로
예상하고 있습니다
오늘은
최근 이슈가 되고 있는
음극재 부분 개선에 대해서
끝판왕이라 할 수 있는
리튬메탈 기술에 대해서 알아봤
습니다
이것으로 영상을 마치겠습니다
대단히 감사합니다
