칼럼 |이공계 전공별 핵심

9. Sony의 하드 카본 음극

엔지닉

2020.10.06 17:51

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9. Sony의 하드 카본 음극

Sony는 1991년 리튬 이온 전지 양산에 성공한다. 1991년에 출시한 전지는 원통형 전지로, 건전지에서 많이 사용하는 AA 사이즈의 14500(지름 14mm, 높이 50mm) 원통형 전지와 니카드전지 사이즈인 20500(지름 20mm, 높이 50mm) 원통형 전지였다. 다음 해인 1992년에는 캠코더용으로 18650(지름 18mm, 높이 65mm) 원통형 전지를 출시한다.

1991~1992년에 Sony가 만든 전지와 현재의 전지를 비교하면 가장 큰 차이가 음극과 전해액이다. Sony는 음극에 하드 카본을 사용하였고, 전해액에는 PC(propylene carbonate) base의 유기용매를 사용했다. 현재는 흑연 음극과 EC(ethylene carbonate) base의 유기용매 전해액을 사용한다. 카본은 흑연 용량의 반 밖에 안 된다. 그럼에도 불구하고 흑연을 사용할 수 없었던 것은 전해액과의 반응 때문이었다. 전해액의 용매인 PC 분자 일부가 잘라져서 흑연의 결정 구조 입구를 막는 현상이 발생하게 된다. 이것을 co-intercalation이라고 하는데, 이 현상으로 흑연을 음극에 사용하면 수명이 급감한다.

층상 구조의 결정 구조를 가진 흑연과는 달리 카본은 비정질 구조로 되어 있어 전해액과 반응하지 않는다. 카본은 선구체(precursor)에 따라 소프트 카본(soft carbon)과 하드 카본(hard carbon)으로 분류한다. 소프트 카본은 선구체가 부드럽고, 하드 카본은 선구체가 딱딱하다. 하드 카본이 소프트 카본보다 결정이 더 무질서하다. 소프트 카본은 흑연화열처리로 흑연을 만들 수 있지만, 하드 카본은 흑연을 만들 수 없다. 하드 카본이 소프트 카본보다 용량이 약간 크다. Sony는 용량에서 우위를 보이는 하드 카본을 음극 소재로 선정하였다.

1990년대는 휴대용 전자기기의 전성기였다. 휴대폰(cellular phone), 노트북(Lab top computer), 캠코더(camcorder)가 대표적인 휴대용 전자기기 시장이었다. 이 시장을 3C라고 불렀다. 휴대용 전자기기 시장에서 리튬 이온 전지는 1990년에 도시바 전지와 파나소닉(Panasonic)이 개발한 니켈 수소 전지와 경쟁했다. Sony의 리튬 이온 전지는 수명은 니켈 수소 전지보다 길었지만 에너지 밀도가 낮아 작동 시간이 짧았다. 또한, 니켈 수소 전지보다 고가였다. 휴대용 전자기기 시장에서 리튬 이온 전지는 니켈 수소 전지에 밀리고 있었다. 리튬 이온 전지의 미래는 어둡게만 보였다.

1994년 리튬 이온 전지 시장에 진출하여 리튬 이온 전지를 휴대용 전자기기의 주력 전지로 만든 회사가 일본의 Sanyo이다. 인조 흑연 음극 개발로 에너지 밀도를 획기적으로 높였고, 천연 흑연으로 가격 경쟁력을 확보한다. 소재 중심의 전지인 리튬 이온 전지에서 소재 개발이 얼마나 중요한지를 보여준 회사가 Sanyo이다. Sanyo는 2009년 12월 경영 악화로 Panasonic에 흡수된다. 2000년이 되면 전기자동차 시대가 올 것으로 생각한 Sanyo는 1990년대에 무리하게 전기자동차용 전지 개발에 투자한다. 이것이 Sanyo 경영 악화의 원인이 되었다. 20년이 지난 2020년에도 전기자동차 시대는 오지 않고 있다. Sanyo의 몰락은 경영에서 미래에 대한 판단이 얼마나 중요한지를 보여주는 대표적인 예라고 할 수 있다.