알루미나는 알루미늄 제품의 원료이자 화학 및 기계 산업의 보조재입니다. 알루미나는 오랫동안 국가 경제에서 중요한 역할을 해왔습니다. 통신, 신에너지, 반도체와 같은 신산업이 빠르게 성장하고 있으며, 이는 고성능 소재에 대한 수요를 증가시키고 있습니다. 특히 수조 달러 규모의 신에너지 시장에서 고급 알루미나 제품의 인기가 높아지고 있습니다. 알루미나는 이 분야의 핵심 기반 소재로 자리 잡았습니다.
새로운 에너지 시장
전 세계적인 에너지 위기와 환경 오염에 대응하기 위해 각국은 저탄소 에너지 전환을 촉진하는 정책을 도입했습니다. 이러한 정책은 신에너지 산업의 지속가능한 발전을 지원하는 것을 목표로 합니다.
신에너지차 분야에서 중국의 생산 및 판매는 2021년부터 꾸준히 증가해 왔습니다. 연간 성장률은 4년 연속 301조 위안을 넘어섰습니다. 2024년 신에너지차 생산 및 판매 대수는 각각 1,288만 8천 대와 1,286만 6천 대로, 사상 처음으로 1,000만 대를 돌파했습니다. 이는 전년 대비 각각 344조 1천억 위안과 355조 1천억 위안 증가한 수치입니다. 현재 신에너지차는 전체 자동차 판매량에서 409조 1천억 위안을 차지하며 2023년 대비 9.3%p 증가했습니다. 일부 기관에서는 2025년까지 중국 신에너지차 시장 규모가 2조 3,100억 위안에 이를 것으로 전망합니다.
배터리 부문
공업정보화부가 발표한 데이터에 따르면, 2024년 중국의 리튬 배터리 총 생산량은 1,170GWh에 도달하여 전년 대비 24% 증가했으며, 산업 총 생산액은 1.2조 위안을 돌파했습니다.
신에너지 산업에서의 알루미나의 응용
음극재
리튬 이온 배터리 양극재에서 Al₂O₃ 표면 코팅은 양극재의 용량 유지, 장주기 성능 및 열 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. Al₂O₃ 표면 코팅이 양극재 성능에 미치는 긍정적 영향은 다음과 같습니다.
불소 제거제 역할을 하여 전해질 용액에서 HF를 제거하고 양극 물질에서 전이 금속의 용해를 억제합니다.
양극 물질과 비수용성 전해질 사이의 불필요한 부반응을 방지하기 위해 양극 표면에 물리적인 보호 장벽을 형성합니다.
리튬 이온 확산 속도를 높이고 전하 이동 저항을 줄이기 위해 양극 표면에 리튬 알루미늄화물을 형성합니다.
발열 반응을 감소시켜 음극 물질의 열 안정성을 향상시킵니다.
LiPF₆와 반응하여 전해질 첨가제 LiPO₂F₂를 생성하는데, 이는 배터리의 사이클 성능과 수명을 향상시킵니다.
Jahn-Teller 효과를 억제하여 전극의 사이클 안정성을 향상시킵니다.
분리막 코팅
그만큼 분리 기호 리튬 이온 배터리 소재에서 기술적으로 가장 까다로운 부품입니다. 원가 비중은 양극재 다음으로 높아 약 10%에서 14%를 차지합니다. 일부 고급 배터리에서는 분리막 비용이 최대 20%에 달하기도 합니다.
연구에 따르면 분리막 표면의 한쪽 또는 양쪽 면을 코팅하면 고온 안정성이 향상됩니다. 또한 분리막 열수축으로 인한 전극 접촉, 연소, 폭발과 같은 안전 위험을 줄여 분리막의 안정성과 수명을 크게 향상시킵니다.
고순도 알루미나는 이상적인 무기 코팅재입니다. 뛰어난 열 안정성과 화학적 불활성을 제공하여 배터리 분리막의 세라믹 코팅에 적합합니다.
양극재
알루미나는 분리막뿐만 아니라 음극 표면에도 코팅할 수 있습니다. 후민(Hou Min)과 장얀장(Zhang Yanjiang)의 연구에 따르면, 음극 표면에 알루미나를 코팅하면 음극 계면의 안정성이 향상되고, 활성 리튬의 손실이 감소하며, 리튬 이온 배터리의 충전 유지 능력과 사이클 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다. 펑크 시험에서, 음극 표면 코팅은 음극과 양극 사이의 단락의 심각성을 줄이는 데 효과적이었습니다.
전해질
리튬 이온 배터리의 성능은 전해질의 특성에 크게 영향을 받습니다. 리튬 이온 배터리의 각 기능에 따라 다양한 전해질 시스템이 사용됩니다. 연구에 따르면 전해질에 일정량의 알루미나 분말을 첨가하면 전해질의 전도도를 효과적으로 개선하고, 전하 이동 저항을 줄이며, 리튬 이온 배터리의 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있습니다.
고체 배터리 전해질
폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 같은 고분자 고체 전해질에 고순도 나노 알루미나를 첨가하면 고분자의 전도도와 안정성을 향상시키고, 고분자의 결정성을 낮추며, 사슬 이동도를 증가시킬 수 있습니다. 가넷형 Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO) 고체 전해질과 같은 산화물 고체 전해질에 첨가하면 전해질의 전도도와 용량 유지율을 향상시킬 수 있습니다.
결론
위에서 언급한 용도 외에도 신에너지 산업에서 알루미나의 활용은 매우 제한적입니다. 예를 들어, 신에너지 자동차의 릴레이, 퓨즈, 실링 링과 같은 세라믹 부품에 사용됩니다. 열 관리 문제에 직면한 신에너지 산업에서 알루미나는 방열 기판뿐만 아니라 열전도성 페이스트, 젤 및 기타 냉각 소재에 자주 사용되는 열전도성 필러로서도 핵심적인 역할을 합니다. 결론적으로, 알루미나 소재는 수조 달러 규모의 신에너지 및 반도체 시장에서 폭넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다.
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