▲ CNT는 LIB 양극과 음극 도전재로 적용이 활발해지고 있다. 제이오의 Thin Wall CNT도 배터리 시장 진출에 박차를 가하고 있다.

세계적인 전기차 시장확대로 인해 리튬이온배터리(LIB) 수요가 확대일로인 가운데, LIB 양극재 물질이 바뀌면서 고순도 탄소나노튜브(CNT)의 수요도 급증하고 있다. ‘만년 유망주’였던 CNT의 본격적인 상용화가 기대되고 있지만 핵심인 분산기술을 확보하고 있는 기업이 한정적이어서 지원이 요구되고 있다.

1월30일부터 2월1일까지 일본 도쿄 빅사이트에서 열린 나노테크 2019에서는 CNT 제조와 분산기술을 전시하는 업체들이 여전히 많이 눈에 띄였다. ZEON, 도레이, 옥시알 등 해외기업은 물론 국내기업으로는 제이오, 씨엔티솔루션, 덕산약품공업 등도 관련기술을 홍보했다.

CNT는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어난 ‘꿈의 신소재’로 벌써 근 20년간 어플리케이션 개발이 진행돼 왔다. 고강도, 정전기 방지, 전자파차폐 등 특성을 이용한 필름, 투명전극, 전선, 타이어, 복합소재 등에 적용이 확대됐다.

그러다 LIB가 소형 IT 가전기기에서 전기차, ESS(에너지저장장치) 등 중대형시장에 적용되면서 CNT의 최대 수요처로 배터리 양극과 음극 도전재가 급부상하게 됐다. 도전재는 배터리내 전하의 이동통로 역할을 하는 것으로 기존에는 카본블랙이 사용됐는데 이를 CNT로 대체하면 에너지 밀도 및 수명이 향상되고 배터리 크기도 줄일 수 있는 장점이 있다. 전기차 및 이차전지 시장조사 업체인 SNE리서치에 따르면 2018년 전세계 전기차용 LIB 출하량은 109.8GWh을 기록했는데 이는 전년대비 83%나 상승한 수치다.

LIB는 어떤 소재를 양극재로 사용하는가에 따라 구별된다. 그간 양극재료로 주로 사용된 것은 리튬인산철(LFP)인데 고순도화를 위해 정제가 필요하지만 기술력보다는 제조원가가 경쟁력이었다. 이에 전기값이 상대적으로 비싼 국내에서는 정제비용이 크게 오르기 때문에 중국기업들에게 가격경쟁력에서 밀렸다.

그러나 장거리를 운행하는 전기차에 대한 수요 확대로 CNT 고순도화에 필요한 제조 및 분산기술이 열쇠를 쥐게 됐다. 니켈, 코발트, 망간을 혼합한 리튬 산화물인 NCM 삼원계 양극재가 전기차에 적용이 확대되고 있는데 이에 1회 충전에 500㎞ 이상 주행이 가능한 '3세대 배터리'에는 니켈이 80%가 들어가고 코발트와 망간이 10%씩 들어가는 NCM811이 대부분 쓰일 것으로 기대되고 있다.

이에 보조금을 통해 세계 최대 전기차 시장으로 부상한 중국은 일반 승용 순수 전기차 보조금 제도 지급 기준을 강화해 에너지밀도가 낮은 배터리팩(140Wh/㎏)을 장착한 차량의 보조금을 삭감하고 있다. 이는 에너지 밀도가 낮은 리튬인산철(LFP) 배터리를 사실상 퇴출하고 대신 밀도가 높은 니켈·코발트·망간(NCM) 배터리를 만들 수 있는 기업만 지원해 배터리 기술력도 상승시키겠다는 의미다.

NCM 배터리에 필요한 CNT는 철(Fe)이 없어야 하고 분산이 잘되는 고순도 제품이 필요하다. 이러한 기술력을 갖춘 CNT를 적정한 가격에 공급할 수 있는 기업은 세계적으로도 몇 안된다. 세계 전기차용 배터리 4위 기업인 LG화학이 지난 2017년 여수에 약 250억원을 투입해 연산 400톤규모의 CNT 전용 공장을 구축한 것도 이러한 이유다.

특히 중국 배터리 업체들은 발등에 불이 떨어졌으며 이에 국내 기업에도 러브콜을 보내고 있다. 우리나라에서 최초로 멀티월 CNT(다중벽탄소나노튜브)를 양산한 제이오의 강득주 대표는 “배터리 시장을 타깃으로 싱글월 CNT(단일벽탄소나노튜브)의 품질과 MWCNT의 가격대를 맞춰 개발한 Thin Wall CNT에 대한 문의와 거래가 국내외 기업으로부터 급증하고 있다”며 “이에 대응하기 위해 수백억대의 설비투자가 필요한데 배터리는 CNT업체의 주요 시장이기 때문에 놓칠 수는 없는 상황이라 고민이 크다”라고 밝혔다.

CNT는 LIB를 대체할 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리에도 적용되면서 수요가 늘고 있다. 전고체 배터리는 리튬이온이 이동하는 전해질을 고체로 만들어 안전한데다 전해액과 분리막을 없애고, 비는 공간에 에너지밀도가 더 높은 물질을 집어넣을 수 있고 박막화가 가능한 장점이 있다. 전고체 배터리의 중간 고체 전해질에는 CNT와 그래핀이 필수적으로 들어가게 될 전망이다. 일본의 도요타는 전고체 배터리를 사용하면 출력과 전기저장량이 LIB 보다 2배 이상 늘어날 것으로 보고 있으며 2022년엔 자사의 전기차에 탑재한다는 계획을 갖고 있다. 이번 나노테크에서도 도요타에서 전고체 배터리와 응용 나노융합기술에 대해 주제발표해 많은 관심을 받았다.

이러한 CNT 수요확대를 위해선 국내 수요기업인 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션 등 배터리 메이커들이 소재기업과 협력이 확대돼야 한다. SWCNT 분산 솔루션 전문기업인 그라튜브의 김상옥 CTO는 “국내 배터리 메이커들은 현재 신규 배터리에 CNT를 불과 수 % 밖에 적용 안하고 있지만 전고체 전지 개발 추진 등으로 해외에서는 적극적으로 CNT를 도입하고 있다”며 “그간 정부의 투자로 CNT분산 기술이 확보된 만큼 수요가 많아지면 CNT 산업이 활성화 되고 대한민국 배터리 기업이 경쟁기업인 중국, 일본보다 앞서 나갈 수 있는 기회가 될 것”이라고 강조했다.