차세대 배터리 소재로 주목받는 실리콘 음극재
한국의 주요 기업들인 SK, LG, 포스코 등이 실리콘 음극재를 차세대 전기차 배터리 소재로 도입하여 전기차 충전시간을 단 5분으로 줄일 수 있는 혁신적인 기술을 개발하고 있습니다. 기존에는 주로 흑연이 사용되던 배터리 음극재에 대체재로서 실리콘을 도입함으로써 배터리의 에너지 밀도를 증가시키고 충전시간을 혁신적으로 단축하는 것이 가능합니다.
실리콘 음극재 투자하는 기업들
SK는 실리콘 음극재 사업을 본격화하기 위해 지난달에 자회사 ‘얼티머스’를 설립하였으며, 연내에 시범 생산을 시작할 예정입니다. 또한 SK는 영국의 넥세온 지분 22%를 인수하여 전북 군산에 실리콘 음극재 공장을 설립하는 계획을 추진하고 있습니다. SK머티리얼즈도 미국의 그룹14테크놀로지와 협력하여 ‘SK머티리얼즈그룹포틴’이라는 합작사를 설립하고, 2027년까지 6년간 총 2500억원을 투자하여 경북 상주에 생산 설비를 구축할 예정입니다.
포스코실리콘솔루션은 경북 포항에 연산 5000톤 규모의 실리콘 음극재 공장을 건설하고 있는데, 이 프로젝트에는 2025년까지 총 3000억원을 투자할 계획입니다. 이후에는 2030년까지 연간 2만5000톤 규모의 생산량을 달성하는 것이 목표로 설정되어 있습니다.
또한 롯데에너지머티리얼즈도 최근에 프랑스의 스타트업인 엔와이어즈에 79억원을 지분 투자하여 실리콘 음극재 기술을 확보하였습니다. 이를 통해 실리콘 음극재 기술 영역에서의 경쟁력을 강화하고 있습니다.
실리콘 음극재 주목받는 이유
배터리의 양극재는 용량과 전압을 결정하며, 음극재는 충전속도와 수명에 영향을 미칩니다. 이에 따른 ‘배터리의 딜레마’는 용량 증가 시 무게와 크기가 증가하고, 용량 축소 시 성능 저하가 발생한다는 것입니다. 특히 전기차의 경우 차량 중량을 고려하여 배터리의 크기와 무게를 무작정 늘리는 것은 어려운 일입니다. 미국과 유럽 등 주요 전기차 시장에서는 대형차 선호 경향이 뚜렷해지는 가운데, 업계에서는 에너지 밀도를 높이기 위해 구성 물질을 변경하는 해법을 모색하고 있습니다. 높은 에너지 밀도는 배터리 내에서 리튬 이온의 이동 거리를 감소시켜 충전 속도와 출력을 향상시킵니다.
흑연 음극재를 대체하기 위한 후보 물질로 실리콘, 산화주석(SnO2), 알루미늄(AL) 등이 제시되고 있습니다. 이 중에서도 실리콘은 기술적으로 가장 빠르게 발전하고 있습니다. 이미 흑연에 5% 미만의 실리콘산화물(SiOx) 혼합 기술이 도입되어 사용되고 있습니다. 흑연은 6개의 원자당 1개의 리튬 이온을 저장할 수 있지만, 실리콘은 4개의 원자당 15개의 리튬 이온을 저장할 수 있어 용량이 약 20배 이상 증가합니다. 또한 에너지 밀도 측면에서도 흑연은 1g 당 350mAh이지만, 실리콘은 1500~2000mAh로 4배 이상 증가합니다.
전기차 충전 시간 단축의 핵심
업계 관계자들은 “실리콘 음극재의 비중이 10%를 넘으면 현재의 전기차 충전 시간인 30분 이상을 5분으로 줄일 수 있다”고 밝히며 “이로 인해 전기차 충전 시간과 주유 시간이 비슷해져 전기차 시장이 폭발적으로 성장할 수 있을 것”이라고 기대하고 있습니다.
미래에는 실리콘을 탄소로 감싸 부피 변화를 억제하는 실리콘카본(SiC) 기술이 표준이 될 가능성이 있습니다. 이 기술은 제조가 어렵지만 안정성이 높으며, 실리콘 함량을 높일 수 있어 매력적입니다. 현재 중국의 BTR이 SiC 기술을 상용화한 유일한 기업으로 알려져 있습니다.
실리콘 음극재 전망
글로벌 실리콘 음극재 시장이 지난해 4억 달러에서 2032년에는 287억 달러까지 성장할 것으로 전망됩니다. 이러한 동향 속에서 다양한 기업들이 실리콘 음극재를 활용한 제품과 기술 개발에 관심을 갖고 있습니다.
테슬라는 차세대 배터리인 ‘4680 원통형 배터리’에 실리콘 음극재를 검토 중이며, 포르쉐는 타이칸 EV의 실리콘 음극재 배터리를 확대하는 계획을 가지고 있습니다. 또한 LG에너지솔루션, SK온 등도 실리콘 음극재 비중을 10% 이상으로 높인 제품을 개발하고 있습니다.
그러나 실리콘 음극재의 안정성과 방전 시 기존 형태로 복구되지 않는 문제는 업계가 해결해야 할 숙제로 남아 있습니다. 배터리 충전 시 리튬이온의 이동으로 인해 음극재 원료의 부피가 팽창하게 되며, 이는 배터리의 구조 변화와 용량 저하를 야기합니다. 특히 실리콘 음극재의 경우 부피 팽창이 흑연보다 약 4배나 크다고 합니다.
“테슬라 등 주요 기업이 주행거리 향상과 충전시간 단축을 위해 실리콘 음극재를 차세대 배터리로 고려하고 있는 만큼 시장이 본격적으로 성장할 것으로 전망”했습니다.
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