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Battery, Battery Materials

<2021> 리튬이차전지 Si-Anode 기술 현황 및 주요 업체 개발 동향

최근 들어 스마트폰 및 Tablet, Ultra PC 등이 4,000 mAh 이상의 대용량 리튬폴리머 전지를 사용하면서 요구되는 음극재의 용량 요구수준 역시 크게 증가하고 있다. 또한 전기자동차용 및 ESS용 중대형 배터리 시장에서 고용량 음극 소재의 필요성이 더욱 증가하면서 기존에 쓰이던 탄소계, 흑연계 음극재 중심에서 최근에는 특히 금속복합계인 실리콘(Si)계 음극재가 업계의 주목을 받고있으며, 이 소재를 확보려는 경쟁이 치열해지고 있다. 이와 관련하여 실리콘 음극재를 개발하고 양산하려는 신규 진입 업체들도 계속해서 등장하고 있다.

Si계 고용량 소재는 현재 몇 개 업체에서만 개발하고 있으나, 향후 전기차의 주행거리 극복을 위한 고용량 전지개발을 위해서는 필수적으로 개발되어야만 하는 소재이며, 이에 대한 현황 및 문제점을 조기에 파악하여 대응 한다면, 이 분야에서 충분한 경쟁력을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다. 실리콘 음극재는 2030년까지 연평균 55%의 성장률이 예상된다. 전체 음극재 시장에서 실리콘 음극재의 비중은 2019년 1%에서 2030년 7%까지 확대할 전망이다.

탄소계, 흑연계 외에 리튬 이차전지 고용량 음극 소재로 Si-C composite, Si-alloy, SiOx 가 대표적이다. 그 중 SiOx 와 Si-alloy 는 가장 상품화에 근접되어 있으며, 일부 전지 메이커에서 전지에 적용하여 고용량 전지를 개발 중에 있으나, 아직까지 수명, 부피팽창(Swelling) 등의 문제가 있어 이를 개선하기 위한 노력을 진행 중이다. 실리콘(Si)계 음극 관련하여 최근 업계와 학계의 관련 기술 개발 발표가 잇따르고 있고, 음극소재 업체들도 개발에 집중하며 머지 않아 상용화가 기대되고 있다.  

본 보고서는 최근 이슈가 되고 있는 xEV, ESS, IT용 리튬이차전지의 고용량 전지개발을 위한 Si계 음극개발 동향 및 성능향상에 대한 기술적 보고서로, 특히, Si계 고용량 음극[Si-alloy, SiOx, Si-C composite]소재의 업체와 학계의 최신 개발 현황과 이를 적용한 전지의 상황 및 문제점 그리고 이를 개선할 수 있는 idea를 제공함으로 향후 고용량 전지 개발을 도움을 드리고자 한다.

본 보고서의 Striong Point 
① 리튬이차전지 음극재의 전체적인 기술 개발 현황 
② 고용량 Si계 음극소재의 기술 이슈 및 핵심 요소 기술
③ 최신 Si계 음극소재의 기술 개발 동향
④ 향후 Si계 음극소재의 응용 분야 및 상용화 전망


- Contents -

1. 리튬이차전지 개요 7
1.1. 리튬이차전지 역사 7
1.2. 리튬이차전지 종류 및 특징 12
1.3. 리튬이차전지 원리 18
1.3.1 충전 및 방전반응 18
1.3.2 전압 21
1.3.3 전하와 이온의 이동 34
1.3.4 이론 용량 36
1.4. 리튬이차전지 구성요소 39
1.4.1 양극활물질 44
1.4.2 음극활물질 48
1.4.3 분리막 52
1.4.4 전해질 54
1.5. 리튬이차전지 응용분야 58


2. 리튬이차전지 음극소재 종류 및 특징 64
2.1. 리튬이차전지 음극소재 요구특성 및 종류 64
2.2. 탄소계 음극소재 특성 67
2.2.1 흑연계 음극소재 67
2.2.2 비정질 탄소계 음극소재 82
2.2.3 탄소계 음극소재/전해질 계면 반응 93
2.3. 금속계 음극소재 특성 100
2.3.1 리튬금속 음극소재 102
2.3.2 합금계 음극소재 105
2.4. 화합물계 음극소재 특성 126
2.4.1 산화물계 음극소재 126
2.4.2 질화물계 음극소재 136


3.고용량 리튬이차전지용 Si계 음극소재 기술개발 현황 140
3.1. 고용량 리튬이차전지 개발 이력 및 방향 140
3.2. 고용량 Si계 음극소재 기본 특성 149
3.2.1 Si계 음극소재의 리튬 삽입/탈리 반응 153
3.2.2 Si계 음극소재의 문제점 및 열화 메커니즘 156
3.2.3 Si계 음극소재의 부피팽창 제어 158
3.3. 고용량 Si계 음극소재 기술개발 동향 166
3.3.1 SiOx 음극소재 168
3.3.2 Si-C 복합체 음극소재 174
3.3.3 Si-M 합금 음극소재 180
3.3.4 다양한 나노구조의 Si계 음극소재 186
Si nanostructure 188
Porous Si structure 196
Nano-Si/C structure 201
Nano-Si/metal or polymer structure 210
3.3.5 Si계 음극소재용 바인더 214
3.3.6 Si계 음극소재용 집전체 218
3.3.7 Si계 음극의 연구동향 종합 및 앞으로의 연구방향 220

4. 리튬이차전지 음극소재 시장 및 업체 현황 222
4.1. 리튬이차전지 음극소재 시장 현황 222
4.2. 리튬이차전지 음극소재 업체 현황 233
흑연/카본계 중심 음극재 생산업체
4.2.1 Hitachi Chemical 235
4.2.2 Mitsubishi Chemical 241
4.2.3 JFE Chemical 244
4.2.4 BTR New Energy Materials 246
4.2.5 Shanghai Shanshan Tech 250
4.2.6 Jiangxi Zichen Technology 253
4.2.7 Shinzoom(Changsha Xingcheng) 256
4.2.8 Kaijin 259
4.2.9 XFH(XiangFengHua) 261
4.2.10 포스코케미칼 263
4.2.11 애경유화 266
    실리콘계 음극재 생산업체
4.2.12 대주전자재료 273
4.2.13 Shin-Etsu 278
4.2.14 MK 전자 281
4.2.15 일진전기 284
4.2.16 EG 287
4.2.17 한솔케미칼 291
4.2.18 이녹스 첨단소재 296
4.2.19 FIC 신소재 298
4.2.20 LPN 301
4.2.21 테라테크노스 304
4.2.22 Group14 (SK머티리얼즈) 307
4.2.23 Sila nano Technology 310
4.2.24 Enovix 313
4.2.25 Enervate 317
4.2.26 EO Cell 322
4.2.27 Amprius Technologies 324
4.2.28 Nanotek Instruments 328
4.2.29 Nexeon 332
4.2.30 Neo battery 337
4.2.31 한국메탈실리콘 342
4.2.32 Huawei 345
4.2.33 동진쎼미켐 347
4.2.34 Osaka Titan 352

5. 참고 문헌 356