도전재 ( Conductive Materials / Conductive Additives)

Lithium Ion Battery에 사용되는 도전재에 대해 알아보고, 최근 증가량이 늘어나고 있는 CNT에 대해 알아보려 합니다.

 

도전재란 무엇일까요?

도전재는 전극에서 활물질 입자 간 또는 금속 집전체와의 전도도를 향상시키고 바인더가 부도체로 작용하는 것을 방지하기 위해 소량 첨가하는 미세분말 탄소를 말합니다. 대표적인 탄소분말에는 카본블랙(carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black) 등이 있습니다.
카본블랙은 Furnace공법, Channel공법, Thermal공법, Acetylene공법 등이 있다고 합니다. 공법이 달라도 카본블랙을 만드는 원리는 같다고 합니다.

활물질, 바인더 그리고 도전재의 관계 [출처] 리튬이온배터리 - 도전재(Conductive additive)

 

기름을 태우면 검은 연기가 발생합니다만, 이 검은 연기는 연기가 검은 것이 아니고, 연기 중에 있는 그을음이 있기 때문입니다. 촛불을 켜면 까만 그을음이 생기는 것과 같은 것이죠. 사실 탄화수소인 기름을 완전하게 태우면 이산화탄소와 물밖에 만들어지지 않습니다. 그러나 불완전한 연소를 거치면 까맣게 탄 그을음 즉 탄소만이 생기는 것이죠. 숯이 만들어지는 원리도 비슷합니다. 나무를 완전히 태우면 하얀 재만 남지요. 그러나 태우다 말면 까만 숯이 만들어지는 것이죠. 그을음을 잘 포집하기 위해 차가운 Channel의 표면에 붙였다가 떼어내는 방법을 쓰면 Channel Black이 됩니다. 

​더 효율적으로 생산/포집하기 위하여 Furnace공법이 개발되었는데, 고열의 반응로안으로 노즐을 통해 기름을 분사하면 기름이 1500도 고온에서 열분해 되어 카본블랙이 만들어집니다. 반응로의 크기나 형상, 반응로 내의 온도, 분사되는 기름의 양, 노즐의 형상, 반응 종결시간에 따라 다른 품종을 생산하게 되는데, 아주 미세한 공정의 조정이 필요합니다.

이렇게 제조된 카본블랙은 아주 고운 가루 형태를 띠는데, 리튬이온배터리의 극을 만들 때 섞어주면 도전성을 향상시켜주는 역할을 합니다.

반응로는 고온에서 견뎌야하므로 고내열성의 내화물을 사용하고 카본블랙을 포집하고 포장하는 공정을 거쳐 제품이 완성됩니다.
이렇게 제조된 카본블랙은 부피가 큰 파우더입니다. 이를 리튬이온배터리의 전극을 만들 때 섞어주면 도전성을 향상시켜주는 역할을 합니다.

도전재의 미래?

일반적으로 카본블랙을 사용해왔지만 최근에는 전도성이 더 높은 CNT(Carbon Nanotube)를 대신 사용하는 추세로 변화하고 있습니다. 도전재는 배터리 내 전하의 이동통로 역할을 하는 것으로 기존에는 카본블랙이 사용됐는데 이를 CNT로 대체하면 에너지 밀도 및 수명이 향상되고 배터리 크기도 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 이유는 카본블랙에 비해 CNT의 전도율이 훨씬 높기 때문입니다.

CNT : Carbon Nanotube 출처 : Britanica

 

카본 블랙의 경우 전체 고형분의 2~3wt% 정도 해당되는데, CNT를 사용할 경우 2wt% 정도로 사용량을 줄일 수 있습니다. 숫자로 보면 큰 차이가 아닐지 몰라도 현재 치열한 배터리 시장에서 성능으로 경쟁력을 갖추려면 아주 큰 차이에 해당하죠.
현재 배터리는 이미 높은 수준의 용량을 갖고 있기 때문에 추가로 더 용량을 향상시킬 수 있는 방안을 찾기가 어려운 상황입니다. 따라서  도전재의 부피를 줄여 그만큼 활물질을 추가하여 용량을 높일 수 있습니다. 전도도가 매우 높다면 도전재의 양을 줄여 배터리 용량 향상을 꾀할 수 있습니다.

 

LG전자 그램

대표적인 예로 LG전자의 가벼운 노트북인 그램은 1kg이 안되는 그램단위의 무게를 제품이름으로 사용하였고, 이 노트북이 생산될 수 있었던 여러 요인 중 하나는 배터리의 용량은 그대로지만 무게가 줄일 수 있게 도전재로 탄소나노튜브를 사용한 LG화학의 배터리를 적용했기 때문이라고 합니다

 

 

1991년 발견된 CNT는 전기전도도가 구리와 비슷하고, 열전도도는 다이아몬드와 비슷한 특성을 지녔습니다. 이러한 CNT를 활용하는 방안에 대해 많은 연구가 되었고, 고강도, 정전기 방지, 전자파 차폐 등 특성을 이용한 필름, 투명전극, 전선, 타이어, 복합소재 등에 적용되면서 다양한 곳에 사용되고 있습니다. 최근에는 리튬이온배터리(Lithium Ion Battery, LIB)가 소형 IT 가전기기에서 전기차, 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS) 시장에 적용되면서 CNT의 배터리 도전재로의 수요가 급증했습니다. 조금이라도 에너지밀도를 높이기 위한 방안으로 CNT를 적용하는 것이지요. 
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