<2023> 리튬이온 2차전지 음극재 기술 동향 및 시장 전망 (~2030)
2022년 현재 대부분의 Lithium 이온 2차전지 음극재로는 흑연(Graphite)이 사용되고 있다.
1991년 Sony가 최초로 Li 2차전지를 상용화하였을 당시부터 지금까지 거의
30년 동안 흑연을 비롯한 탄소계 재료는 큰 변화없이 굳건하게 음극재 왕좌의 자리를 지켜오고 있다.
이렇게 오래도록 흑연이 Li 이온 2차전지
음극재로 사용되는 것은 다른 소재들에 비해 아래와 같은 요구조건들에 더 부합하였기 때문이다.
– 높은 충방전 용량 (단위 무게당 혹은
단위 체적당)
– 초기 비가역 용량 손실이 작을 것
– 충방전 Cycle 등의 수명이 우수할
것
– 활물질 내에서 전기 전도성 및 이온 확산속도가 높을 것
– Li의 삽입/탈리에 따른 체적 변화가 작을 것
– 환경친화적 소재일 것
– 제조가 용이하고, 가격이 저렴할 것
하지만 전기차(XeV), 전동공구(Power
Tools), E-mobility, Drones 같은 매우 까다로운 성능이 요구되는
application이 속속 등장하고 시장의 중심이 되면서 기존 흑연 재료로는 달성하기 어려운 수준의 High energy density, Long life, High charging/discharging power 같은
특성들을 만족시키기 위한 기존 탄소계 흑연 음극재에 대한 대폭적인 성능 향상이나 새로운 음극재에 필요성이 높아지고 있다.
이러한 Needs에 맞춰 연구/개발
또는 일부 적용되고 있는 대표적인 신규 음극재 후보에는 Silicon계와 Li metal이 있고 기존 탄소계 음극재에 대한 개선도 병행하여 진행되고 있으며, Anode-free 및 급속충전 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 리포트에서는 이러한 최근의 Trends와 연구 개발 상황을 충실히 반영하였다.
특히 Silicon계와 Li metal을 중심으로
한 최신 기술동향을 심도 있게 논하였으며
기존 재료와 신규 물질의 성능 개선과 hybrid 제품의 연구 개발 현황도 살펴 보았다. 여기에 급속 충전 기술 설계와 Anode-free
기술에 대한 업계 동향도 살펴보았다. 또한 일본, 중국, 한국 및 기타 국가들의 음극재 업체별 음극재 생산 현황에
대하여 자세히 알아보고 마지막으로 시장 부문에서는 최근 5개년 동안의 수요자 측면에서의 LiB maker들의 동향과 공급자 측면에서의 음극재 supplier들의
실적을 국가별, 기업별, 음극재 Chemistry별로 업계 Pipeline을 분석하였다. 아울러 폭발적인 성장이 예상되는 EV 및 ESS 시장을 배경으로 2030년까지의 음극재 시장 수요와 가격도 전망하였다.
INDEX
리포트 개요 8
Chapter
Ⅰ. 음극재 기술 현황 및 개발 Trend
1.1
서 론 11
1.2
음극재 종류 14
1.2.1
Li-metal
1.2.2
Carbon계 음극재
1.2.3
음극재 개발 현황
Chapter
Ⅱ. Carbon계 음극재
2.1
Carbon계 음극재의 개요 23
2.2
Carbon계 음극재의 제조 23
2.2.1
기상 탄화
2.2.2
액상 탄화
2.2.3
고상 탄화
2.3
Soft Carbon계 음극재 27
2.3.1
구조적 특성
2.3.2
전기화학적 특성
2.3.3
전극 반응 mechanism
2.3.4
제조 방법
2.3.5
인조 흑연
2.3.6
천연 흑연
2.3.7
저온 소성 탄소
2.3.8
기타 소재
2.4
Hard Carbon계 음극재 62
2.4.1
구조적 특성
2.4.2
전기화학적 특성
2.4.3
전극 반응 mechanism
2.4.4
제조 방법
2.5
폐전지로부터 Carbon계 음극재 회수 및 재활용 68
Chapter
Ⅲ. 합금계 음극재
3.1
합금계 음극재의 개요 70
3.2
합금계 음극재의 특성
70
3.3
합금계 음극재의 문제점
및 해결 방안 73
3.3.1
대표적인 문제점
3.3.2
금속 복합계 음극재
3.3.3
금속-탄소 복합계 음극재
3.4
SiOx계 음극재 105
3.4.1
구조적 특성
3.4.2
전기화학적 특성
3.4.3
제조방법
3.4.4
Prelithiation 공정 적용
3.5 Si계 음극재의 실제 적용 연구 114
3.5.1
전기화학적 거동 차이
3.5.2
Si 단독 전극 및 Si/흑연
혼합 전극
3.6
기타 Si계 음극재 116
3.6.1
3차원 다공성 Si
3.6.2
Si Nanotube
3.6.3
금속/합금 박막형 음극재
Chapter
Ⅳ. 화합물 음극재
4.1
Oxide계 음극재 125
4.2 Nitride계 음극재 130
4.3
2차원 평면 구조 무기화합물 (Mxenes)131
Chapter
Ⅴ. 고출력 음극재
5.1
고출력 음극재의 개요
134
5.2
Intercalation소재 134
5.2.1
탄소재
5.2.2
LTO(Li4Ti5O12)
5.3
합금계 소재 138
5.4
전이 소재 138
5.5
Nano 구조 마이크로 입자 139
5.5.1
Nano 구조 마이크로 탄소재
5.5.2
Nano 구조 마이크로 Li4Ti5O12
5.5.3
Nano 구조 마이크로 Si-탄소재
복합 활물질
5.6
Multi Channel 구조 흑연 143
5.7
Si-흑연 hybrid 소재 (SEAG) 145
5.8 Graphene-SiO2 소재 (Graphene Ball) 146
5.9 음극 관점에서 급속 충전 147
5.9.1
음극재(활물질)의 영향 인자
5.9.2
전극의 영향 인자
5.9.3
주요 배터리 업체의 급속충전 기술 설계
5.10
종합 및 향후 전망 158
Chapter
Ⅵ. Li-metal 음극
6.1 Li metal 음극 개요 160
6.2 Li metal 음극 R&D 현황 161
6.2.1 인위적인 표면 보호막(ASEI, Artificial SEI막 형성)
6.2.2 신 구조체 (New structure)
6.2.3 Hybrid 구조
6.2.4 Electrolyte modification
6.3
리튬 금속 음극 실제
응용에 대한 문제점 및 전망 172
6.4
Anode-Free Lithium-Ion Battery 176
Chapter
Ⅶ. 안전성에 대한 음극의 영향
7.1
음극의 열적 안정성 185
7.2
급속 충전 시 안전성
190
Chapter
Ⅷ. LiB 음극재 시장 동향 및 전망
8.1
국가별 수요 현황 194
8.2
소재별 수요 현황 196
8.3
공급 업체별 시장 현황
198
8.4
LIB 업체별 수요 현황 217
SDI/LGC/SKI/Panasonic/CATL/ATL/BYD/Lishen/Guoxuan/AESC/CALB
8.5 음극재 생산Capa 전망 295
8.6
소재별 수요 전망 297
8.7 음극재 가격 동향 298
8.8
음극재 시장 규모 전망
306
Chapter
Ⅸ. 음극재 생산업체 현황
9.1
한국 음극재 업체 308
Posco
Chemical/Daejoo/Aekyung/MKE/Iljin/EG/PCT/LPN/Hansol/Dongjin
9.2
일본 음극재 업체 376
Hitachi/Mitsubishi/Nippon
Carbon/JFE/Tokai Carbon/Showa Denko/Shinetsu/Kureha
9.3 중국 음극재 업체 435
BTR/Shanshan/Zichen/Shinzoom/XFH/ZETO/Sinuo/Chuangya/SHANGTAITECH/KAIJIN
Chapter
Ⅹ. 참고 문헌