▲ 그라튜브가 출시한 양극용 건식 시트(左)와 음극용 건식 시트

탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 분산·코팅 솔루션 전문기업 ㈜그라튜브(CTO 김상옥)가 친환경 전기차 및 ESS(에너지저장장치) 시장의 성장으로 수요가 급증하고 있는 배터리 도전재 시장에 진출한다.

그라튜브는 배터리 양극재 및 음극재용 건식 도전재와 습식 도전재 개발을 완료하고 지난 3월 코엑스에서 개최된 ‘2023 인터배터리’ 전시회에 출품했다. 또한 고객사의 다양한 사용 환경에 맞춰 △습식용 건식 그래뉼(분말) △건식 시트용 양극 그래뉼(양극재+CNT+수지) △음극 그래뉼(음극재+CNT+수지) 등도 개발해 국내외 시장 개척에 나서고 있다.

도전재는 배터리 내 전하의 이동을 도와주는 소재이다. CNT(단일벽CNT 또는 다중벽CNT)를 양극 및 음극 도전재로 사용하면 기존 카본 블랙에 비해 높은 전도도를 구현할 수 있고 도전재 사용량을 줄일 수 있어 그만큼의 공간을 메탈로 채워 배터리의 용량과 수명이 늘어나는 효과가 있다.

또한, 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복할수록 입자가 파괴되는 문제점이 있는데 CNT 도전재를 사용하면 실리콘 음극재 부피 팽창을 제어하고 배터리 용량 감소 등의 문제를 해결할 수 있어 전 세계적으로 CNT 수요가 급증하고 있다. 또한 현재 가장 많이 사용 중인 리튬이온배터리용 양극재·음극재 뿐만 아니라 리튬황·전고체 배터리와 같은 차세대 배터리 분야에서도 CNT가 주력 도전재로 검토되고 있다.

이번에 그라튜브가 개발한 건식 도전재는 양극재와 바인더를 건식으로 혼합해 금속박에 코팅하는 방식으로 배터리 건식 전극 제조공정에 사용될 수 있다. 현재 거의 대부분의 배터리 전극은 활물질, 도전재, 바인더 등을 섞은 슬러리 상태의 도전재를 코팅하는 습식 공정이 사용된다. 습식 공정에서는 재료들이 잘 섞일 수 있도록 NMP라는 유기 용매를 사용하기 때문에 건조하는 과정에서 NMP를 회수·처리하는데 필요한 설비 구축, 전력 사용, 건조시간 등으로 인해 제조 원가가 뛴다.

건식 전극 공정은 용매 없이 필름 형태로 만들어 바로 코팅할 수 있어 습식 대비 친환경적이고 안전성이 높으며 원가 절감 효과가 뛰어나 차세대 기술로 평가 받고 있다. 이에 지난해 테슬라는 배터리 제작원가를 절반으로 줄이기 위해 건식 전극 공정을 양산화 수준으로 끌어올리겠다고 공언한 바 있고, 현재 음극쪽은 적용을 하고 있으며 양극쪽은 양극재의 CNT 코팅 등으로 전도성 향상을 여러 방향으로 개발 진행 중이다. 그라튜브는 건식 도전재 그래뉼을 사용하면 양극 건식 전극 시트의 제조 해결책이 될 것으로 기대했다.

김상옥 그라튜브 CTO는 “건식 전극 공정은 상용화시 배터리 소재 산업의 패러다임이 바뀔 것으로 예상되고 있어 국내 전극 제조업체들의 발빠른 대응이 시급하다”며 “그라튜브는 배터리 소재 기술 파트너로서 역할을 충실히 해 K-배터리 경쟁력 강화에 기여 하겠다”고 밝혔다. 

한편 그라튜브는 2003년부터 CNT 분산 기술개발을 시작으로 2009년에는 일본 나노테크(NANO TECH) 전시회에서 세계 최초로 3% 분산액을 선보인 바 있다. 이후 바이엘을 비롯하여 아케마, 나노실 등의 세계 유수 기업의 CNT를 평가하면서 기술력을 쌓아왔다. 그라튜브는 옥시알의 단일벽 CNT ‘튜발’을 물과 알콜(1%)로 출시했으며, 2021년 인터배터리 전시회에서는 그래핀이 코팅된 구형의 나노 실리콘을 전시했다. 

▲ 그라튜브가 개발한 배터리 소재 제품군