에코프로비엠, 리튬 프리 양극재 준비
에코프로비엠은 그간 하이니켈 양극재 등을 통해
고성능 양극재 시장 선도하는 회사로 업계의 인정을 받고 있습니다.
그런데 최근 에코프로비엠의 양제현 이사가 차세대 양극재로 리튬 프리 양극재를 개발 중이라고 밝히며
많은 투자자들의 관심을 받고 있습니다.
에코프로비엠은 나아가 리튬 프리 양극재도 개발하고 있다. 리튬은 배터리 핵심 소재인 양극재를 만드는 소재 중에서도 핵심 원재료다. 배터리 생산 단가의 40~50%를 차지하는 게 양극재이며 다시 양극재 생산 단가 중 최상단에 리튬이 있다. 하지만 채굴과 정제가 쉽지 않아 가격이 비싸다. 배터리 업계에서는 리튬을 '하얀 석유'라고 부르기도 한다.
양 이사는 "리튬은 원가적 부담이 크고 서플라인 체인(공급망)상 가장 수급하기 어려운 단점이 있다"며 "궁극적으로 리튬을 없애야 겠다는 판단으로 리튬 프리 양극재를 개발하고 있다"고 강조했다.
이와 관련 에코프로비엠 관계자는 "삼원계 배터리(NCM 니켈-코발트-망간, NCA 니켈-코발트-알루미늄)를 비롯해 국내 배터리 기업이 주력하는 배터리는 리튬을 결합해 만드는데 원재료 수급 비용이 큰 만큼 대체재를 찾는 작업이 계속돼야 한다"며 "연구개발 초기 단계에 있으며 리튬 비중을 점차 줄여나가는 것부터 시작해 궁극적으로 리튬 프리에 도달할 수 있게 노력할 것"이라고 덧붙였다.
그러나 에코프로비엠에서 어떠한 물질을 가지고 리튬을 대체할 것인지는 아직 밝힌바가 없습니다.
그렇다면 과연 리튬 프리 양극재는 어떠한 물질을 통해 개발할 수 있을까요?
연구개발 동향을 조사해 보았을 때, 아마도 바나듐 산화물이 유력하지 않나 생각됩니다.
본 포스팅에서는 바나듐이라는 생소한 물질을 2차전지 배터리의 소재로 적용한
여러가지 기술 동향에 대해 알아보겠습니다.
지스트, 리튬 없는 양극재로 전기차 주행거리 1.5배 늘려
지스트에 따르면 엄광섭 신소재공학부 교수 연구팀은
리튬이 존재하지 않는 리튬-프리 소재인 바나듐 산화물을 양극 소재로 사용해
기존 배터리 대비 약 1.5배 증가된 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다고 합니다.
바나듐 산화물 양극 소재는 이론 용량이 294mAh/g에 달해 그 값이 기존 전이 금속 산화물 양극 소재(140mA/g~200mA/g) 대비 약 1.5배에서 2배 이상 높지만, 배터리의 충천과 방전 과정 동안 구조가 붕괴될 수 있어 안정성 낮고 이온과 전자 전도성이 낮아 느린 전기화학적 반응 속도를 가졌다는 치명적인 단점이 있어 상용화되지 못하고 있습니다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 기존의 수열합성법에 결정 성장 억제제를 첨가하고 이후 열처리를 진행하는 새로운 합성법을 이용해 나노플레이트가 적층된 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극 소재를 개발했습니다
연구팀에 따르면,
이번에 개발된 바나듐 산화물 소재는 구조 내부의 빠른 리튬이온 이동 통로를 효과적으로 제공하고
리튬이온 이동 거리를 감소시켜 빠른 충전과 방전 전류 조건에서도 높은 용량 확보가 가능합니다.
또한, 기존의 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비
1.5배에서 2배 이상의 증가된 에너지 저장 용량을 나타냈습니다.
이 소재로 제작한 리튬 배터리는 100회의 충전과 방전 이후에도
약 80%에 달하는 용량 유지율을 확인했으며
대부분의 기존 나노벨트 구조의 바나듐 산화물의 용량 유지율과 비교해
매우 우수한 성능을 유지했습니다.
바나듐 산화물 적용 배터리의 특성(사진=지스트)
LG화학, 바나듐 양극 수명을 늘리는 기술 특허 공개
바나듐을 키워드로 하여 공개 특허를 검색해 보면
바나듐 산화물(V205)을 양극으로 적용하는 리튬 이차전지의 충·방전 시,
바나듐의 용출을 억제하여 양극 및 전지의 수명특성을 개선시킬 수 있는 기술에 대한
LG화학의 특허를 찾을 수 있습니다.
LG화학도 바나듐 산화물을 적용한 양극재에 관심을 가지고 관련 연구를 진행하고 있음을 알 수 있습니다.
본 특허에서는 바나듐 산화물의 특징을 아래와 같이 서술하고 있습니다.
바나듐 산화물은 용량은 낮으나 비정질(Amorphous) 상태에서도 매우 우수한 전극 특성을 갖는다는 장점을 가지고 있다. 그리고 바나듐 산화 공개특허 10-2020-0009202 - 4 - 물의 경우, 상기 두 물질보다 합성이 비교적 용이하며, 특히 상온에서 합성이 가능하다는 이유로 매우 주목을 받고 있다. 상온에서 합성된 비정질 바나듐 산화물의 경우, 결정성의 바나듐 산화물보다 오히려 그 성능(수명 또는 효율)이 우수하다. 그러므로 바나듐 산화물을 양극 활물질로 이용한다면 상온 공정이 가능해지고, 따라서 플라스틱과 같은 고분자 물질 위에 이차전지를 제작하는 것이 가능하게 된다.
뿐만 아니라, 층상(layered) 구조를 가지는 바나듐 산화물은, 층상 구조를 가지는 다른 소재의 양극과 달리, 여러 개의 리튬(Li)을 구조의 내부에 저장할 수 있는 장점을 가지고 있어, 향후 리튬 이차전지의 양극 활물질로서 광범위하게 응용될 가능성이 매우 높다. 하지만, 바나듐 산화물을 양극으로 적용한 리튬 이차전지를 2.0 V 이하 로 방전시킬 경우, 리튬 메탈을 양극으로 적용한 경우에 비하여 안정한 석염 상태 또는 암염 단계(rock-salt phase(ω phase))로 변화되어 가역적인 리튬 삽입/탈삽입(intercalation/de-intercalation)이 어려워지고, 따라서, 리튬이차전지 또는 리튬이온전지의 양극으로서 기능하지 못하게 되는 문제가 발생한다. 또한, 바나듐 산화물은 충·방전 과정에서 바나듐이 용출되어, 전지의 수명 특성을 저하시키는 요인으로 작용하기도 한다. 이에, 해당 기술 분야에서는, 리튬 이차전지의 양극 활물질로서 바나듐 산화물을 적용하되, 바나듐의 용출은 차단하여 양극 및 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 연구개발에 박차를 가하고 있다
자세한 내용은 아래에 해당 특허 정보 PDF 파일을 첨부하니, 참고하시기 바랍니다.
롯데케미칼, 바나듐 이온 배터리 스타트업 투자
롯데케미칼이 바나듐이온 배터리에 재도전한다는 기사도 있습니다.
스탠다드에너지라는 배터리 전문 스타트업에 투자한다고 하는데요.
스탠다드에너지는 김부기 대표 등 KAIST와 미국 MIT 연구진이
2013년 설립한 배터리 전문 기업으로,
세계 최초로 바나듐이온 배터리를 개발한 연구 제조 업체라고 합니다.
이 기사에 따르면,
바나듐이온 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지밀도가 떨어지지만
화재 안전성이 높고 수명도 길어 ESS용으로 적합하다는 평가를 받고 있습니다.
또한, 바나듐이온 배터리는 리튬이온 배터리와 달리 물 기반 전해액을 사용해
발화 위험성이 원천적으로 차단합니다.
높은 안정성과 뛰어난 내구성을 바탕으로 고효율, 고출력이 가능하며
산업용, 가정용 등 다양한 분야에서 ESS로 활용이 가능하다는 특징을 소개하고 있습니다.
다만, 기사의 내용으로 미루어 보건대
이 기사에서 언급하는 "바나듐이온 배터리"는
위에서 설명한 "바나듐 산화물을 양극재로 사용한 리튬 이온 배터리"와는
근본적으로 다른 기술인 것으로 생각됩니다.
바나듐을 배터리에 적용하는 연구 동향 중 하나로 참고하시면 되겠습니다.
https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=227525
롯데케미칼, 바나듐이온배터리 재도전…스타트업에 650억 투자 - 전기신문
[전기신문 윤병효 기자] 롯데케미칼이 바나듐이온 배터리에 재도전한다. 이 배터리는 리튬이온 배터리보다 에너지밀도가 떨어지지만 화재 안전성이 높고 수명도 길어 ESS용으로 적합하다는 평
www.electimes.com
출처
https://blog.naver.com/interlude26
인터루드의 투자노트 : 네이버 블로그
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