실리콘 음극재 배터리 '주목'…에너지 밀도 10배↑

[아이뉴스24 민혜정 기자] 전기차 배터리 업체들이 '실리콘' 음극재에 주목하고 있다.

실리콘은 현재 음극재에 주로 사용되는 흑연보다 에너지 밀도를 10배 정도 높일 수 있는 음극재 원료로 평가 받는다. 더 적은 무게와 작은 부피로 배터리를 만드는 데 유용하다.

14일 시장조사업체 SNE리서치의 '리튬이차전지 음극재 기술동향·시장전망' 보고서에 따르면 실리콘 음극재는 오는 2025년 전체 음극재 시장 수요에서 11% 비중을 차지할 전망이다. 지난해 기준 비중이 3%였다는 점을 고려하면 5년 뒤 약 4배 증가하는 셈이다.

음극재는 양극재, 전해질, 분리막과 함께 전기차 배터리의 4대 소재로 꼽힌다. 현재 음극재 80~90%는 인조·천연 흑연이 적용된다.

실리콘은 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충·방전 속도가 빠르다는 장점을 갖고 있다. 다만 실리콘 음극재가 갖는 배터리 팽창 문제 해결이 관건이다.

SNE리서치 관계자는 "실리콘은 소재 특성상 부피팽창이 발생해 조직이 빠르게 파괴되는데, 이는 이차전지의 빠른 충·방전 수명 감소를 불러온다"며 "업계는 이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘을 나노 단위로 쪼개 산화물·합금·탄소 등으로 감싸 팽창을 물리적으로 막는 연구를 계속하고 있다"고 설명했다.

국내외 배터리, 전기차 업체들은 이같은 장단점을 고려해 실리콘 음극재 배터리 개발에 나서고 있다.

LG화학은 지난해 기존 음극재에 실리콘을 첨가해 20분에 80% 이상 충전이 가능한 배터리를 세계 최초로 양산, 유럽의 프리미엄 전기차 브랜드에 공급했다.

LG화학은 탄소나노튜브(CNT) 도전재가 실리콘 음극재 배터리의 팽창 문제를 잡아주는 역할을 할 수 있다고 보고 있다. 도전재는 양극과 음극 사이의 전자의 이동을 돕는 물질로 배터리 내 리튬이온의 전도도를 높인다.

이 회사 관계자는 "실리콘이 첨가된 음극재에 CNT 도전재를 적용하면, 실리콘의 단점인 부피 팽창 문제와 낮은 전도도를 해결해준다"며 "충전시간까지 단축시킬 수 있다"고 말했다.

삼성SDI는 SCN이라는 기술을 갖고 있다. SCN은 실리콘을 이용해 배터리 음극의 용량을 높인 기술이다. 실리콘을 머리카락 두께 수 천분의 1 크기로 나노화 한 후 이를 흑연과 혼합해 하나의 물질처럼 복합화 한 것이다. 삼성SDI는 이를 통해 배터리 팽창 문제를 해결했으며, 내년에 양산할 예정이라고 설명했다.

SK이노베이션도 한 번 충전으로 700㎞ 주행, 단 10분 충전으로 300㎞를 주행할 수 있는 전기차용 실리콘 음극재를 개발 중이다.

테슬라가 오는 22일 개최할 '배터리데이' 행사에서도 실리콘 음극재 배터리를 공개할 수 있다는 관측이 나오고 있다.

SNE리서치 관계자는 "높은 에너지밀도를 바탕으로 충분한 전기차 주행거리를 확보하려는 현 시점에서 실리콘 음극재의 전지 내 사용 비중은 점차 높아질 것"이라며 "이런 움직임에 대비해 흑연계 음극재를 생산하는 업체들도 실리콘 음극재에 관심을 가지고 있다"고 강조했다.