<2025> 이차전지용 바인더 기술개발 현황 및 전망(~2035)
LIB의 특성은 전극에 따라 크게 좌우되는데, 뛰어난 배터리 성능을 달성하기 위해서는 전극구조를 최적화하는 것이 최우선 과제라고 할 수 있다. 현재 상용화된 LIB에서 뿐만 아니라 연구분야에서도 양극과 음극의 활물질은 많은 관심과 함께 연구 및 검토되고 있는데 비해, 전극반응에 참여하지 않는 비활성인 바인더는 낮은 중량비(≤5wt%)로 전극의 온전함을 유지하고 전기화학적 공정을 지원하며, 활물질과 도전재와 함께 전극의 성능 구현 측면에서 중요한 위치를 차지하지만 중요성에 비해 덜 주목받고 있는 것이 현실이다.
바인더는 전극 내에서 차지하는 부분이 매우 작은 편이지만, 전극 전체 성능을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 바인더는 양극 및 음극의 활물질 및 도전재를 집전체인 각 극판에 잘 부착시키고, 내구성을 높이는 역할을 한다. 바인더는 (1)전해질에 전기화학적으로 안정적이여야 하고, (2)유연성과 불용성을 가져야 하며, (3)특히 양극 바인더의 경우 산화에 의한 부식방지 기능이 있어야 한다.
따라서, 활물질과 도전재를 집전체와 효과적으로 연결하고 부피 팽창을 수용하여 충방전 동안 우수한 전극 구조를 보장할 수 있는 높은 결합강도와 탄성을 지닌 기능성 바인더가 필요하다. 최근 바인더 스크리닝(screening) 및 설계에 대한 더 많은 통찰력을 통해 연구의 초점이 기계적 안정화 관점에서 구조적 지지체 뿐만 아니라 전기화학적으로 이점을 제공하는 다기능성으로 이동하고 있다.
최근, 실리콘 음극재 채택이 늘어나면서 바인더가 리튬화(lithiation)반응에 많은 영향을 주어 전극 용량 및 사이클 안성성 향상에 도움이 된다는 연구가 나와 차세대 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 바인더는 양극재에는 주로 불소수지인 PVDF(PolyVinyliDeneFluoride)를, 음극재에는 합성고무인 SBR(Styrene-Butadiene-Rubber)과 CMC(Carboxyl Methyl Cellulose) 바인더를 사용했으나, 실리콘 음극재에서는 부피변화가 커서 사용에 부적합하다.
최근에 양극재에는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)바인더가 음극재에는 PAA(PolyAcrylicAcid), PI(PolyImide)계 등 수계 바인더 등이 각광을 받고 있다. PAA, PI 등의 바인더는 수계 바인더로, 물 기반 수계 용매를 전해질로 사용하는 실리콘 음극재에 사용된다. 위 바인더들은 기존 바인더에 비해 인장강도가 높고, 접착력이 높아 실리콘 음극재의 부피 팽창에 강하며 활물질을 감싸서 안정적인 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층을 형성한다.
차세대 양극재 바인더인 PTFE는 건식 전극공정용 바인더로 내화학성, 내열성이 매우 뛰어난 소수성 소재로 건식 전극공정이나 전고체전지에서 주목받을 것으로 보인다.
PVDF 바인더는 일본의 Kureha, 벨기에의 Solvay, 프랑스의 Arkema가 생산하고 있으며, SBR 바인더는 일본의 Zeon에서 생산하고 있어 모두 외국산 비중이 높은 고가 품목이다.
양극재 바인더는 국내의 켐트로스, 음극재 바인더의 경우 국내의 한솔케미칼이 국산화에 성공하여 삼성SDI와 SK On에 공급하고 있으며, LG Chem.과 금호석유화학도 음극재 바인더 공급에 나서고 있다.
한편 SNE Research의 글로벌 리튬이온전지용 바인더에 대한 ’24.11월 수요 전망을 보면, 2025년 181.2kton에서 2030년 311.4kton으로 증가할 것으로 전망되며, 금액으로는 2025년 4.4조원에서 ’30년 6.11조원이 될 것으로 전망하고 있다.
24년판 리포트에서는 특히 최근 핫 이슈가 되고 있는 전고체전지, 나트륨전지(SIB)에 대한 바인더의 열적 특성, 분산 특성을 보강하였으며, 바인더의 작동 메커니즘 및 고장 메커니즘에 대한 부분을 추가하여 이해를 돕는데 노력하였다. 또한 최근 발표된 리튬이온 전지 전극을 위한 바인더 설계, 합성 및 전지에의 적용에 대한 지금까지의 문헌에 나온 정보를 시간대별로 상세하게 정리하였고, 해당 문헌과 함께 명기하여 좀 더 깊은 기술은 논문을 통하여 확인할 수 있도록 배려하였다.
한편, 당사의 리튬이온 전지에 대한 전망자료를 기초로 바인더에 대한 수요 및 시장을 전망하였으며, 부록에는 외부 리서치 기관의 시장규모 및 전망을 인용하여 독자들이 전체적인 규모를 파악하는데 도움을 주고자 하였다. 특히, PVDF, SBR, CMC 등 주요 바인더인 경우, 21년, 22년, 23년 상세 시장 data에서부터 24년 전망치까지 모두 수록하여 수요의 변천을 한 눈에 확인할 수 있도록 구성하였다.
마지막으로, 바인더 제조업체의 ’24년 가장 최근의 현황 및 주요 제품을 정리함으로써 이 분야의 연구자 및 관심있는 분들에게 전체적인 통찰력을 제공함으로써 전지의 에너지밀도, 급속 충전 능력 및 장기 수명 특성 등 전지의 성능을 향상시키는데 큰 도움이 될 것으로 기대한다.
본 보고서의 Strong Point :
① 바인더에 대한 전반적인 개요 및 풍부한 기술내용 수록
② 바인더의 개발사례를 통해 핵심 point인 설계, 합성 시 고려 사항을 수록
③ LIB뿐만 아니라 차세대 전지인 Li-S전지, 전고체전지, 나트륨전지(SIB)용 바인더 개발 현황 및 사례
분석 수록
④ SNE Research의 강점인 배터리 전망치에 근거한 바인더 시장 전망 및 LFP전지용 바인더 시장에 대한data 제공
⑤ 주요 바인더 기업의 가장 최근 개발 현황 및 제품 현황에 대한 상세한 정보 수록
[PVDF binder 제조기업들의 출하량 및 M/S]
[SBR binder 제조기업들의 출하량 및 M/S]
[Tesla향 4680 전지용 바인더 코스트 분석]
• 양극: NCM811, 음극: Si계
• 1 GWh 전지용 PVDF 양극 바인더 소요량 및 비용: 약 38톤
• 1 GWh 전지용 PAA 음극 바인더 소요량 및 비용: 약 24톤
[건식공정과 습식 공정의 차이]
목차
1. 바인더 개요
1.1 서론 7
1.2 정의, 역할 및 요구 물성 8
1.2.1 역할 및 기능 8
1.2.1.1 기계적 성질 9
1.2.1.1.1 접착력 및 기계적 강도 향상 9
1.2.1.1.2 부피 변화 조절 13
1.2.1.2 계면 성능 저하 완화 17
1.2.1.3 전기적 특성 20
1.2.1.3.1 전기전도성 향상 20
1.2.1.3.2 이온전도도 향상 23
1.2.1.4 열적 특성 26
1.2.1.4.1 열 안전성 및 광범위한 온도 작동성 향상 26
1.2.1.5 분산 특성 29
1.2.1.5.1 전극 균질성 향상 29
1.2.2 요구 물성 32
1.3 유형 및 종류 35
1.3.1 유형(types) 35
1.4 작동 메카니즘 37
1.5 바인더 고장 메커니즘 39
1.6 바인더 개발의 고급 전략 42
1.6.1 기계적 접합 강도 향상 42
1.6.2 화학적 결합 강도 향상 42
1.6.3 다기능 통합 바인더의 설계(multifunctional integrated binders) 43
1.7 바인더 특성화 기술 43
1.7.1 양극의 바인더 분포 및 조성 평가 43
2. 바인더의 종류 및 연구개발 사례
2.1 양극용 바인더 46
2.1.1 비수계 바인더 46
2.1.2 PVDF 양극 바인더의 산업 현황 47
2.1.3 (CMC+SBR) 음극 바인더 산업 현황 48
2.1.4 수계 바인더 49
2.1.5 기타 바인더 64
2.1.5.1 전도성 고분자 64
2.1.5.1.1 Polyacrylonitrile(PAN) 64
2.2. 음극용 바인더 69
2.2.1 삽입형 음극 바인더 69
2.2.1.1 흑연전극용 바인더 69
2.2.1.2 LTO용 음극 바인더 72
2.2.2 합금형 음극 바인더 76
2.2.2.1 선형 고분자 바인더 78
2.2.2.2 가교 고분자 바인더 81
2.2.2.3 갈래(branched: 분지) 및 초대형 고분자 바인더 83
2.2.2.4 전도성 고분자 바인더 86
2.3 차세대전지용 바인더 (1) 94
2.3.1 리튬-황(Li-S) 전지용 바인더 94
2.3.2 (4680)건식 공정용 바인더 104
2.3.3 Na이온전지(SIB)용 바인더 108
2.3.3.1 SIB용 바인더 개발 109
2.3.3.2 기존 바인더 112
2.3.3.2.1 PVDF 112
2.3.3.2.2 PAA(폴리아크릴산) 112
2.3.3.2.3 SA(Sodium Alginate) 113
2.3.3.2.4 CMC 114
2.3.3.3 신규 바인더 115
2.3.3.3.1전도성 바인더 115
2.3.3.3.2 가교 바인더(Cross-linking binders) 116
2.3.3.3.3 자가 치유 바인더(Self-healing binders) 117
2.4 차세대전지용 바인더 (2) 118
2.4.1 고체 전해질용 바인더 118
2.4.1.1 전고체전지 개요 118
2.4.1.2 황화물계 전고체전지 기술 119
2.4.1.3 전고체전지 제조 및 바인더의 필요성 122
2.4.1.4 양극용 바인더 기술 126
2.4.1.4.1 습식공정용 바인더 기술 128
2.4.1.4.2 건식공정용 바인더 기술 133
2.4.1.5 전해질층용 바인더 기술 137
2.4.1.6. 음극용 바인더 기술 140
2.4.1.6.1 흑연기반 음극용 바인더 기술 141
2.4.1.6.2 차세대 음극용 바인더 기술 142
3. 바인더 시장
3.1 바인더 시장 전체 전망(타 리서치기관 전망) 145
3.2 글로벌LIB용PVDF시장 전망 145
3.2.1 글로벌 배터리 시장 수요 전망 145
3.2.1.1 글로벌 LIB Form Factor별 수요 전망(GWh, %) 146
3.2.1.2 글로벌 LIB용 양극재 수요 전망(GWh, k ton) 147
3.2.1.3 글로벌 LIB용 음극재 수요 전망(k ton) 148
3.2.2 글로벌 LIB배터리용 바인더 수요 전망 148
3.2.3 LIB배터리용 바인더 가격 전망 150
3.2.4 LIB배터리용 바인더 시장규모 전망 152
3.2.5 글로벌 주요 배터리 업체별 양극재 바인더 수요 전망 153
3.2.6 글로벌 주요 배터리 업체별 음극재 바인더 수요 전망 155
3.2.7 실리콘계 음극용 바인더 시장 전망 156
3.2.8 실리콘 음극용 바인더PAA 시장 전망 156
3.2.9 글로벌 LFP용 바인더 수요 전망 (k ton)(CAGR 12%) 157
3.2.10 Tesla 4680 전지용 바인더 코스트 분석 160
3.2.11 LIB 바인더 제조기업의 출하량(Shipment) 및 M/S(%) 162
3.2.12 PVDF binder 제조기업들의 출하량 및 M/S 163
3.2.13 SBR binder 제조기업들의 출하량 및 M/S 164
3.2.14 CMC binder 제조기업들의 출하량 및 M/S 166
4. 바인더 제조업체 현황
[1] Arkema Group 169
[2] BASF SE 184
[3] Solvay 188
[4] Kureha Corp. 201
[5] ZEON Corp. 208
[6] JSR Corp. 212
[7] Fujian Blue Ocean Co. Ltd (BLUE OCEAN & BLACK STONE) 215
[8] Dupont (CMC) 220
[9] Ashland Inc. 224
[10] MTI Corp. 230
[11] TRINSEO 233
[12] Xinxiang Jinbang Power Technology Co., Ltd. 242
[13] Chongqing Lihong Fine Chemical (CMC바인더 제조사) 246
[14] 캠트로스 248
[15] 한솔케미칼 252
[16] 금호석유화학 256
[17] Daikin Industry 260
[18] Nanografi Nano Technology 265
[19] Nippon Paper Group(일본제지) 267
[20] APV Engineered Coatings LLC 269
[21] Sichuan Indigo Materials Science & Technology (INDIGO) 271
[22] Guangzhou Songbai Chemical Co (Songbai) 279
[23] Nippon A&L Inc. 283
[24] Daicel Miraizu Ltd. 284
[25] Sinochem Group Co 286
[26] Ube Corp. 293
[27] AOT Battery Equipment Technology 296
[28] Shanghai Huayi 3F New Materials 297
[29] GL Chem 299
5. 부록[참고용](수계 양극용 바인더 코스트 분석 외) 307
6. References 314