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Special 글로벌 시장 선점을 위한 세라믹스 국제표준화 동향(1)

이차전지 소재 분석의 국내외 표준화 동향 및 표준물질 개발 현황

임광수_한국화학융합시험연구원 소재평가센터 책임연구원

1. 서론

전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS), 모바일 기기 시장의 급속한 성장과 함께 이차전지 산업은 글로벌 공급망의 핵심 산업으로 자리잡고 있다. 특히 고에너지밀도 및 고출력 특성을 요구하는 시장 확대에 따라 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 및 재활용 원료와 같은 이차전지 소재의 품질 확보 중요성이 지속적으로 증가하고 있다. 최근에는 고니켈 양극재, 실리콘계 음극재, 황화물계 고체전해질 등 차세대 소재 개발이 활발히 이루어지면서 소재 조성의 정밀 제어와 미량 불순물 관리가 배터리 성능 및 안전성과 직접적으로 연계되는 수준에 이르고 있다.

  이차전지 소재의 품질관리를 위해서는 화학조성, 미량 원소, 결정구조, 입도 및 전기화학 특성 등에 대한 신뢰성 있는 분석 결과 확보가 필수적이다. 그러나 동일 소재에 대해서도 분석기관 또는 시험방법에 따라 측정값 차이가 발생할 수 있으며, 사용되는 전처리 조건 및 장비 운용 방식에 따라서도 결과의 편차가 나타날 수 있다. 이러한 문제는 글로벌 공급망 내 기업 간 품질 기준 불일치 및 시험성적서 상호신뢰성 저하로 이어질 수 있기 때문에, 국제적으로 통용 가능한 시험방법 표준화와 측정소급성 확보의 중요성이 더욱 강조되고 있다.

  최근 국내외에서는 유도결합플라즈마 분광분석법(ICP-OES/MS), X선 형광분석(XRF), X선 회절분석(XRD), 이온크로마토그래피(IC) 등 다양한 소재 분석기술에 대한 표준화가 활발히 추진되고 있으며, 국제표준화기구(ISO) 및 국제전기기술위원회(IEC)를 중심으로 이차전지 소재 관련 시험방법 및 품질평가 표준 개발이 확대되고 있다. 또한 분석 결과의 정확도 및 비교가능성을 확보하기 위한 표준물질(Certified Reference Material, CRM) 개발 필요성 역시 증가하고 있다.

  본 원고에서는 이차전지 소재 분석 분야의 국내외 표준화 동향을 살펴보고, 주요 국제표준 개발 현황 및 국내 대응 방향을 분석하였다. 또한 국내에서 추진 중인 이차전지 소재 표준물질 개발 현황과 기술적 이슈를 함께 소개함으로써, 향후 이차전지 산업의 품질 경쟁력 확보를 위한 시험·분석 및 측정소급성 체계 구축 방향을 고찰하고자 한다.

2. 이차전지 소재 분석 및 표준화 필요성

이차전지 산업에서 소재 분석은 단순한 품질 확인을 넘어 배터리의 성능과 안전성을 결정하는 핵심 관리 요소로 인식되고 있다. 최근의 이차전지 소재는 고에너지밀도와 장수명 특성을 구현하기 위해 조성 제어 수준이 매우 정밀해지고 있으며, 소재 내 존재하는 미량 불순물과 표면 상태까지 전지 특성에 직접적인 영향을 미치는 구조로 발전하고 있다. 예를 들어 고니켈계 양극재의 경우 Ni/Co/Mn 조성비의 미세한 변화나 ppm 수준의 금속 불순물이 열안정성 및 장기 수명 특성에 영향을 줄 수 있으며, 수분 및 잔류 리튬은 전해질 분해, 가스 발생 및 전극 공정 안정성과 밀접하게 연관된다.

  이러한 특성으로 인해 최근 이차전지 소재 분석에서는 물리적 특성, 화학적 특성 및 전기화학 특성을 종합적으로 평가하는 체계가 중요해지고 있다. 국내에서 개발 중인 리튬이차전지용 양극소재 분석방법 표준에서도 밀도, 입도, 비표면적, 수분함량, 잔류 리튬, 구성성분 및 불순물 함량과 함께 무게당 비용량, 초기효율, 사이클 수명 및 고율 방전 특성과 같은 전기화학 분석 항목을 포함하고 있다. 이는 이차전지 소재 품질이 단일 특성이 아닌 복합 특성으로 관리되어야 함을 보여준다.

  대표적으로 구성성분 및 불순물 분석은 소재 조성과 미량 오염 수준을 평가하기 위한 핵심 항목이다. Ni, Co, Mn과 같은 주성분 조성비는 용량 및 출력 특성과 직접적으로 관련되며, Fe, Cu, Cr 등의 금속 불순물은 부반응 증가 및 장기 사이클 특성 저하의 원인이 될 수 있다. 이에 따라 최근에는 ICP-OES 등 기기분석 기반의 분석 절차를 표준화하여 분석기관 간 결과 편차를 최소화하려는 움직임이 확대되고 있다. 특히 리튬 복합 산화물과 같이 산 분해 조건에 민감한 소재는 전처리 산 조성이나 분해 조건에 따라 결과 차이가 발생할 수 있어, 시험 절차 표준화의 중요성이 더욱 크다.

  수분함량 및 잔류 리튬 분석 역시 중요성이 증가하고 있다. 양극소재 표면의 수분은 전해질과 반응하여 가스 발생 및 계면 열화를 유발할 수 있으며, 잔류 LiOH 및 Li₂CO₃는 슬러리 점도 변화와 공정 불안정성을 초래할 수 있다. 특히 고니켈 양극재는 표면 반응성이 높아 수분 및 잔류 리튬 관리 필요성이 더욱 커지고 있다. 그러나 이러한 항목은 시료 보관 환경, 습도 조건, 적정 방법 등에 따라 결과 편차가 발생할 수 있기 때문에, 최근에는 칼 피셔법 기반 수분 분석과 산–염기 적정 기반 잔류 리튬 분석 절차에 대한 표준화가 추진되고 있다.

  입도, 비표면적 및 밀도와 같은 물리적 특성 역시 전극 제조성과 밀접한 관련이 있다. 입도 분포는 슬러리 분산성과 전극 코팅 균일성에 영향을 줄 수 있으며, 비표면적은 전해질과의 반응성 및 전극 반응 특성과 연관된다. 또한 탭밀도 및 압축밀도는 전극 충진 밀도와 에너지밀도 확보 측면에서 중요한 의미를 가진다. 그러나 입도 분석은 분산 방식이나 측정 조건에 따라 결과 차이가 발생할 수 있으며, 밀도 측정 역시 탭핑 및 압축 조건에 따라 편차가 발생할 수 있어 측정 조건 표준화가 필요하다.

  전기화학 특성 평가의 표준화 필요성도 지속적으로 증가하고 있다. 무게당 비용량, 초기효율, 사이클 수명 및 고율 방전 특성은 소재 성능을 직접적으로 나타내는 핵심 지표이지만, 코인셀 제작 방법과 충·방전 조건에 따라 결과 차이가 크게 발생할 수 있다. 이에 따라 최근에는 단순 충·방전 조건뿐 아니라 코인형 반전지 제작 절차와 셀 조립 환경까지 포함한 표준화가 추진되고 있다.

  결국 이차전지 소재 분석의 표준화는 글로벌 공급망 내에서 시험 결과의 신뢰성과 비교가능성을 확보하기 위한 핵심 기반이다. 또한 시험방법 표준화와 함께 분석 결과의 정확성을 확보하기 위한 표준물질 개발 중요성도 지속적으로 증가하고 있으며, 향후에는 시험방법 표준과 측정소급성 체계가 연계된 형태의 품질관리 체계 구축이 더욱 중요해질 것으로 판단된다.

그림 1. 국내 이차전지 표준화 로드맵 (2025.11. 국가기술표준원 보고자료)

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>