리튬이차전지용 음극재로는 대부분 흑연(Graphite)이 사용되고 있다. 1991년 Sony가 최초로 리튬이차전지를 상용화하였을 때부터 지금까지 흑연은 굳건하게 음극재의 왕좌 자리를 지켜오고 있는 것이다. 이는 양극재, 분리막 등 다른 재료들이 변해온 것에 비하면 지난 20년간 거의 요지부동의 모습을 보이고 있는 것이다.

흑연은 크게 천연흑연과 인조흑연으로 구분된다. 천연흑연은 흑연광산에서 흑연이 5~15% 정도로 함유된 채로 산출된다. 리튬이차전지용 음극재로 흑연이 사용되려면 순도가 최소 99.5% 이상의 전지 그레이드는 되어야 한다. 이렇게 순도를 높이려면 캐낸 천연 흑연광을 선광, 화학 처리 등을 거쳐 불순물을 제거하는 공정을 거치게 된다. 이것을 구상화로 가공하고, 피치 코팅을 하기도 한다.

반면에 인조흑연은 출발 물질이 천연 광물이 아닌 석유, 콜타르, 코크스 같은 탄소 전구체를 이용하여 2800℃ 이상의 고온으로 가열하여 생성된 흑연이다.

흑연이외의 음극재로는 소프트카본과 하드카본이 있는데 탄소로 구성된 코크스를 비교적 저온인 1000~1200℃로 열처리하여 제조한다. 이 중에서 하드카본은 우수한 출력 특성으로 인해 전기자동차용 음극재로의 중요성이 커지고 있는 중이다.

복합계로는 산화물복합계인 LTO가 대표적이며, 금속 복합계는 Sn-Co-C 등이 있다. 또한, 흑연을 사용하는 음극의 경우 용량 증가를 위해 Si 및 SiOx 기반 화합물을 흑연과 함께 일부 혼합하여 전극을 제조하기도 한다.

리튬이차전지용 음극재로 적합하기 위해서는 다음의 조건들을 우선적으로 만족시켜야 한다.

-      높은 충방전용량 (단위무게당 혹은 단위체적당)

-      초기 비가역 용량 손실이 작을 것

-      충방전 싸이클 특성이 우수할 것

-      활물질 내에서 전기전도성 및 이온 확산속도가 높을 것

-      리튬의 삽입/탈리에 따른 체적 변화가 작을 것

-      환경친화적 소재일 것

-      제조가 용이하고, 가격이 저렴할 것

이들 조건을 가장 잘 만족시킨 물질이 바로 흑연이라고 보면 된다. 그러나, 계속되는 음극재를 향한 요구사항은 리튬이차전지의 고용량화 및 고출력화에 따른 걸맞은 특성인 것이다.

본 보고서에서는 이러한 여러 가지 타입별들의 음극재에 관한 기술동향을 기술하였는데, 특히 합금계 와 화합물계를 중심으로 한 최신 기술동향을 논하였다. 또한 일본, 중국, 한국 및 기타 국가들의 음극재 업체별 음극재 생산 현황에 대하여 살펴보았다. 마지막으로 시장 부분은 최근 5개년 동안의 수요자 측면에서의 동향과 공급자 측면에서의 동향을 국가별, 기업별, 음극재 타입별로 업계 Pipeline을 분석하였다. 또한 IT 및 EV 시장을 배경으로 2025년까지의 음극재 시장 수요를 전망하였다.

Chapter Ⅰ. 음극재 기술 현황 및 개발 Trend

1. 서 론

2. 음극재 종류

1.2.1 리튬 금속

1.2.2 탄소계 음극재

1.2.3 음극재 개발 현황

Chapter Ⅱ. 탄소계 음극재

1. 탄소계 음극재의 개요

2. 탄소계 음극재의 제조

3. 소프트카본계 음극재

4. 하드카본계 음극재

5. 폐전지로부터 탄소계 음극재 회수 및 재활용

Chapter Ⅲ. 합금계 음극재

1. 합금계 음극재의 개요

2. 합금계 음극재의 특성

3. 합금계 음극재의 문제점 및 해결 방안

3.3.1 대표적인 문제점

3.3.2 금속 복합계 음극재

3.3.3 금속-탄소 복합계 음극재

4. SiO_x계 음극재

3.4.1 구조적 특성

3.4.2 전기화학적 특성

3.4.3 Prelithiation 공정 적용

5. Si계 음극재의 실제 적용 연구

3.5.1 전기화학적 거동 차이

3.5.2 Si 단독 전극 및 Si/흑연 혼합 전극

6. 기타 Si계 음극재

3.6.1 3차원 다공성 Si

3.6.2 Si 나노튜브

3.6.3 금속/합금 박막형 음극재

Chapter Ⅳ. 화합물 음극재

1. 산화물계 음극재

2. 질화물계 음극재

Chapter Ⅴ. 고출력 음극재

1. 고출력 음극재의 개요

2. 인터칼레이션 소재

5.2.1 탄소재

5.2.2 Li₄Ti₅O₁₂

3. 합금계 소재

4. 전이 소재

5. 나노 구조 마이크로 입자

5.5.1 나노 구조 마이크로 탄소재

5.5.2 나노 구조 마이크로 Li₄Ti₅O₁₂

5.5.3 나노 구조 마이크로 Si-탄소재 복합 활물질

6. 다중채널 구조 흑연

7. Si-흑연 하이브리드 소재 (SEAG)

8. 향후 전망

Chapter Ⅵ. 안전성에 대한 음극의 영향

1. 음극의 열적 안정성

2. 급속 충전 시 안전성

Chapter Ⅶ. 음극재 시장 동향 및 전망

1. 국가별 수요 현황

2. 소재별 수요 현황

3. 생산 업체별 시장 현황

4. LIB 업체별 수요 현황

SDI/LGC/SKI/Panasonic/CATL/ATL/BYD/Lishen/Guoxuan/AESC

5. 음극재 생산 캐파 전망

6. 소재별 수요 전망

7. 음극재 가격 동향

Chapter Ⅷ. 음극재 생산업체 현황

1. 한국 음극재 업체

Posco/Daejoo/Aekyung/MK

2. 일본 음극재 업체

Hitachi/Mitsubishi/Nippon Carbon/JFE/Showa Denko/Shinetsu/Tokai Carbon

3. 중국 음극재 업체

BTR/Shanshan/Shanzoom/Zichen/ZETO/Sinuo/XFH