3세대 전기차 시대 등 고에너지 밀도 배터리 경쟁이 치열해지는 현대사회에서는 용량·속도·안정성·수명 등이 우수한 고성능 리튬이온 배터리(LIB)가 필수적으로 사용되고 있다. LIB 시스템은 알루미늄과 구리의 비중이 약 15~50%를 차지하며 집전체를 필수 부품으로 사용한다. 집전체는 전근에 슬러리(활성 물질·고분자 바인더·탄소 첨가제 혼합물 등)를 캐스팅하여 제조되는 것이 일반적으로, 두께가 얇고 강도가 높을수록 제한된 공간에서 더 많은 물질을 쌓을 수 있다.
최근 높은 가격과 공급 불안정에 따라 리튬이온 배터리의 원료에 대한 우려와 에너지 밀도향상에 대한 요구가 높아지면서, 새로운 이차전지 시스템이 등장하였다. 이에 따라 집전체의 수정방안이 필수적으로 3D 구조화 방법과 코팅 방법으로 분류되기 시작했으며, 이를 발현할 수 있는 장비 기술의 필요성이 높아지는 추세다.

리튬이온 배터리의 기본원리는 리튬이온(Li+)이 양극과 음극 사이를 오가며 전류를 발생시키는 것으로, ▲높은 전압 ▲높은 에너지 밀도 ▲적은 메모리 효과 ▲긴 사이클 수명 ▲우수한 보존성 ▲고출력의 장점이 있다.

리튬이온 배터리는 양극활물질·음극활물질·분리막·전해액이 주요 4대 물질로 양극은 리튬이온을 함유한 금속 산화물로 구성 되며, 탄소 계열 물질로 구성된 음극, 그 사이의 음극과 양극의 단락 방지를 위한 다공성 멤브레인₁₎ 분리막과 리튬이차전달을 담당하는 전해액이 위치한다.
여기서 활물질(Active Material)은 배터리의 양극재와 음극재에서 화학적으로 반응해 전기에너지를 만드는 활성물질을 뜻하 며, 배터리의 양극 또는 음극에서 화학적으로 반응해 전기에너지를 만들어 내는 것이다.
아울러, 리튬이온 배터리의 소재 중 가장 활발하게 연구가 진행되는 활물질은 전체 셀 제조 원가에서 재료비가 50% 정도를 차지하고, 재료비 중 40% 이상이 양극활물질이다. 양극활물질은 고가의 코발트 사용을 최소화하는 방향으로 진행되고 있으며, 신규물질의 개발, 전구체와 활물질 코팅에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 집전체(Current Collector)는 약 10㎛(마이크로미터) 두께의 막을 지칭하는 것으로, 배터리를 충·방전할 때 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 반대로 활물질에서 내보내는 역할을 한다.
리튬이온 배터리에서 집전체의 소재는 음극과 양극으로 나뉘는 극판의 종류에 따라 달라진다. 음극 집전체에는 탄소 전극의 작동 범위에서 전기화학적 반응에 안정적이고 전기전도성이 좋은 흑연과 대체물질로 실리콘이 떠오르고 있다. 탄소 소재는 저비용 자원과 낮은 전기저항의 장점으로 가장 널리 사용되고 있으나, 급속충전 성능과 낮은 장기 신뢰성 문제로 장수명에 대한 기술이 요구된다.

1) 멤브레인(membrane) : ‘두께가 얇은 막’이라는 뜻으로, 0.5~1.2㎜ 정도의 막

양극 집전체에는 높은 전위에서도 전기화학적 반응이 안정적이고 전기전도성이 좋은 알루미늄 포일을 사용한다.
이와 같이 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위한 연구가 다양하게 진행되는 가운데, 집전체에 대한 연구 역시 활발하게 이뤄지고 있다.

국외 동향

최근 전 세계 주요국은 리튬이온전지의 양극재, 음극재, 분리막, 전해질의 소재 및 기술개발을 통해 리튬이온전지의 용량과 안정성을 강화함으로써 배터리 시장 주도권을 유지하기 위해 치열하게 경쟁 중이다. 특히, 리튬이온 배터리 성능 고도화를 위한 집전체용 탄소 소재 및 신규 코팅 장비를 활용한 초박막 제조 기술이 주요 관심사로, 활발히 연구되고 있다.
LIB용 집전체는 에너지저장시스템(ESS) 시장에서 주도 기술로 자리매김하고 있어 미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국들은 주도권을 잡고자 연구개발 및 실증을 추진 중이며, 이미 사업화 단계에 진입해 양산화 수율 증진을 목표로 하고 있다.

특히 중국과 일본 6개사가 2019년 글로벌 시장의 약 77% 점유를 시작으로, 2020년에는 약 84.4%, 2021년에는 84.0%를 점유하며 독점 체제를 견고히 하고 있다.
일본의 경우 지방자치단체별로 ESS 설치 보조금 사업을 추진하면서 신재생에너지 발전과 가정용 등 다양한 분야에서 기술개발을 통해 리튬이차전지 등 앞선 기술력을 확보하고 있다.
중국의 경우, 2020년 10월 국가에서 발표한 ‘에너지 절약 및 신에너지 자동차 기술 로드맵 2.0’에 따르면 중국 순수 전기차 전원 배터리의 에너지 밀도는 2025년 400Wh/kg, 2030년 500Wh/kg이다. 다운스트림 응용 분야의 지속적인 확장과 수요 증가로 인해 리튬배터리 산업에 대한 요구사항이 점점 더 높아지고 있고, 배터리 기술은 더 높은 성능과 안전성을 향해 계속 발전 중이다.

뿐만 아니라 리튬이온 배터리 기술 카테고리 내에 나트륨 이온 배터리 기술을 하위 과제로 등재하여 차세대 기술개발이 수행되고 있다. 나트륨 배터리 기술에 가장 앞선 기업은 CATL, HiNa로, 몇몇 로컬기업이 양극재, 음극재, 전해질 등을 개발하면서 공급망을 형성 및 독점 시장을 구축하고 있다.

리튬 이차전지의 경우 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 모든 방면에서 중국은 다른 국가들과 기술 수준의 차이가 적은 편이나, 리튬이온 배터리 관련 우리나라의 중국에 대한 수입의존도가 93%로, 국내 기술에 대한 시급한 개발이 요구된다.

한편, 리튬이온 배터리 업체들은 정부와 협력을 통해 신규 시장 창출 및 기술력 확보에 적극 임하고 있다. 일본의 경우 지방 자치단체별로 ESS 설치 보조금 사업을 추진하고 있으며, 신재생에너지 발전과 가정용 등 다양한 분야에서의 기술개발을 통해 리튬이차전지 등에서 앞선 기술력을 확보하고 있다. 파나소닉, NEC 등 일본 주요 전자회사들도 ESS 시장에 뛰어들어 다양한 제품을 출시하고 있다.
미국의 경우 대형 전력회사를 중심으로 기술개발과 실증 연구를 집중적으로 진행하고 있다. ESS 설치 의무화 법안에 따라 2014년부터 공급전력의 2.25%, 2020년 5% 설치 공급을 의무화하고, 이에 AES는 화력발전 설비에 20MW급 ESS를 설치했다.
프랑스의 사프트(SAFT)와 독일의 코너지(Conergy) 등이 참여해 국책과제인 솔리온(Solion) 프로젝트를 추진 중이며, 에너지 저장 신기술 및 이를 제어할 수 있는 관련 기술개발을 서두르고 있다.

국내 동향

상용 중국제품의 경우, 후막 코팅 소재의 에너지 밀도 감소에 대한 근본적 문제를 가지고 있으므로 초박막 탄소코팅 집전체 소재와 이를 위한 장비 및 슬러리 최적화 기술로 구분해 연구 중이다. 특히, 국내는 80~100㎚두께를 가지는 초박막 코팅공정 및 대면적 장비 기술개발을 통해 집전체를 위한 하드웨어 기초 기술과 공정 개선을 위한 고분산 탄소 소재 슬러리 양산 제조 기술에 대한 관심이 활발하다.
이는 국내 제품의 가격 경쟁력과 품질 확보의 단초가 될 것으로 판단되며 크게 3개 분야로 세분되어 진행 중이다.

- 집전체용 고분산 탄소 소재 슬러리 양산 제조 기술개발 동향

리튬이온전지에 이용되는 전극은 슬러리 혼합방법에 따라 전극 특성이 크게 바뀌며 탄소 소재의 경우 소수성을 가지므로 다수의 설비제조 업체의 경우 분산이 좋은 장치 개발에 초점을 맞추고 있다.

- 집전체를 위한 탄소 소재 초박막 코팅 신규 장비 기술

두께 ≤80㎚ 초박막, 5% 편차 미만의 고균일 탄소 나노 코팅 집전체 공정 기술과 장비개발이 하드웨어적 관심사로 ≥80m/min급 고속, 1,200㎜ 이상 광폭 초박막 코팅공정 기술 및 장비개발에 맞춰 생산성을 고려한 장폭의 대면적 기술과 고품위 초박막 공정 재현성에 관심이 높다.

- 초박막 탄소코팅 집전체 적용 고출력 리튬이온 배터리 기술

집전체는 박막 극판 제조에 가장 중요한 요소지만, 전극 무게와 부피의 상당 부분을 차지하므로 에너지 밀도 향상과 ESS 경량화에 제한적이다. 특히, 전기차 등 중대형 전기화학적 ESS가 적용되는 분야와 반복적 충·방전 상황에서 더욱 두드러진다.

이를 통해, 활물질 분리 또는 전지 내 수분과 공기 유입에 따른 기존 금속 집전체의 부식 문제는 전지의 수명을 단축하는 원인으로 분류되어 개선이 필요한 것으로 보고된다. 이에 안정적 탄소를 대상으로 부유촉매화학기상증착법(FCCVD)을 활용해 3차원 구조의 탄소계 집전체 제작과 더불어 양산공정을 고려한 활물질 코팅방식을 통해 전극을 제조하는 분야가 주목받는다.
소재의 본질적 문제로부터 해결을 통해 집전체 가치 향상도 도모하고 있는데, 차별화되는 초박막 고밀도 탄소코팅과 집전체 소재 기술의 시너지는 새로운 표준을 만들어 낼 수 있는 요소가 될 것이다.

초박막 탄소코팅 집전체의 개발과 이를 이용한 고출력 리튬이온 배터리 시스템은 박막공정을 통한 에너지 효율 증대를 목표로 하므로 시장성과 파급성 모두 기대할 수 있다. 만약, 초박막 탄소코팅을 통한 고출력화와 에너지 밀도 방안이 함께 구축될 경우, 혁신성과 더불어 초격차도 선점할 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 향상과 ESS 경량화 가능한 기술로 탄소코팅, 슬러리 소재 제조 및 시스템으로의 연계 기술에 대한 표준 수립이 필요하며, 관련 국제표준화위원회는 다음과 같다.

탄소코팅 두께·정밀도·코팅 속도 및 코팅 폭에 대해 다루고 있으며 장비개발 후 측정요소에 대한 내용이다. 일반적으로 측정은 접촉, 비접촉, 파괴 및 비파괴 시험검사 기준을 활용해 다양한 방법이 있으나, 표준이 이미 제정·사용 중에 있어 추가적 표준화 동향의 움직임은 없다. 아울러, 탄소코팅·집전체 간의 계면 밀착력 및 접촉각이 개발 목표로 정성 및 정량적 측정법도 제정되어 사용 중이며, 마찬가지로 표준화 동향 움직임이 없다.

슬러리 분산 안정성의 경우 12주 이상 분산 안정성을 유지하는 것을 목표로 하고 있으나, 입자의 균일한 분포와 분산 안정성은 슬러리에 있어 가장 우선적으로 해결해야 한다. 이에 슬러리 내에 입자 및 분산 안정성을 유지시키는 첨가제 등의 사용 연구와 사용되는 입자별 밀도 및 분산 특성에 대한 국내외 연구도 활발하다. 한편, 입자 크기가 작아질수록 표면력이 중요해지기 때문에 새로운 표준화에 대한 기법도 필요한 상황이다.

집전체는 박막 극판 제조에 가장 중요한 요소지만, 전극 무게와 부피의 상당 부분을 차지하므로 에너지 밀도 향상과 ESS 경량화에 제한적이다. 특히, 전기차 등 중대형 전기화학적 ESS가 적용되는 분야와 반복적 충·방전 상황에서 더욱 중요성이 두드러진다. 또한, 전지 내 수분과 공기 유입에 따른 기존 금속 집전체의 부식 문제는 전지 수명을 단축하는 원인으로 분류되어 기술 개선에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
고출력을 위한 집전체용 탄소 소재 및 신규 코팅장비를 이용한 초박막 제조 기술개발은 고성능 리튬이온 배터리를 위한 핵심 요소기술이다. 고속증착 코팅 시스템의 제작 기술이 필수인 이유 중 하나로, 한계 극복을 위한 하드웨어적 필요 기술이 열쇠가 될 것이다. 특히, 후막 두께를 갖는 탄소 소재의 제작과 관련한 장비 기술과 고분산 탄소 소재 슬러리, 이의 병합 기술인 탄소코팅 집전체 적용 고출력 이온 배터리 시스템은 국제표준 선점 가능성에 있어 매우 필요한 기술로 사료된다.

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