차세대 음극재라고 불리는 실리콘 음극재 개발 현황 알아보기

흑연을 대체하는 차세대 음극재로 주목받는 실리콘 음극재에 대해 살펴보겠는데요,

실리콘 음극재는 차세대 배터리로 불리는 전고체 배터리에서 기존 음극재를 대체할 것으로

예상되는 음극재(실리콘 음극재/리튬 메탈 음극재)의 종류 중 하나인데요, 아래에서

차세대 음극재의 하나로 주목받는 실리콘 음극재에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

이차전지 양극재의 변화

이차전지의 핵심소재 중 양극재는 초기에 사용된 LCO 제품에서 NCA, NCM, LFP, LMO,

LNO 등으로 제품이 다양화되어 왔습니다. 

 

흑연(천연/인조) 음극재의 점유율

하지만 음극재는 리튬이온전지가 상용화된 1990년대에 사용된 천연흑연 그리고 인조흑연

음극재가 최근까지도 시장에서 90% 이상의 점유율을 갖고 주로 사용되고 있습니다.

음극재의 진화

하지만 지난 30여 년간 큰 변화가 없었던 음극재 시장에 최근에 변화가 일어나고 있는데요,

바로 실리콘 음극재가 주목을 받고 있는 것입니다.

실리콘 음극재는 이미 여러 연구기관에서 1990년대부터 연구 개발을 시작한 바 있는데요,

하지만 흑연계 음극재가 지닌 장점이 워낙 뛰어나고 실리콘 음극재의 장점이 부각될 수 있는

수요처가 부족해 본격적으로 사용되는 데는 한계가 있었습니다.

음극재 특성

 

하지만 몇 년 전부터 실리콘 음극재가 일부 전기차 배터리에 사용되기 시작하면서

시장의 주목을 받고 있습니다.

 

실리콘 음극재가 가진 가장 큰 장점은 에너지 용량이 높고, 고속 충전에 용이하다는 것입니다.

현재 음극재의 주력 소재로 사용 중인 흑연의 에너지 용량을 확대하고자 하는 다양한 시도들이

있었고 흑연 음극소재를 대체할 수 있는 후보 물질들도 존재합니다.

음극소재로 사용 가능한 여러 가지 후보 물질들의 이론적인 에너지 용량을 살펴보면 실리콘은

흑연, 즉 탄소에 비해서 약 10배의 이론적 에너지 용량을 가지고 있습니다.

음극재 에너지 용량

 

리튬과 더불어 음극으로 사용할 때 가장 에너지 용량이 높은 후보 물질인 것입니다.

 

하지만 실리콘 음극재는 극복해야 할 기술적인 단점을 가지고 있는데요,

바로 충전과 방전을 진행하면서 부피팽창(Swelling) 현상(300% 부피팽창)이 일어나고

구조적으로 불안정성이 심해진다는 것입니다.

리튬이온배터리가 사용되는 전기차의 화재사고는 매우 위험하기 때문에 실리콘 음극재가 가진

큰 장점에도 불구하고 이러한 단점으로 인해 실리콘 음극재의 상용화가 적극적으로 진행되지

않았습니다. 흑연계 음극재는 충전을 할 때 탄소 원소 6개당 1개의 리튬이온을 저장하게 됩니다.

그리고 리튬이온 저장 시 약 10%의 부피팽창이 일어나기 때문에 안정적인 구조 유지가 가능합니다.

 

반면 실리콘 음극재는 실리콘 원소 1개당 4개 또는 5개의 리튬이온을 저장하기 때문에 음극에서

받아들일 수 있는 리튬이온의 양이 많아 에너지 용량이 매우 큽니다. 하지만 리튬이온을 저장할 때

약 3배의 부피패창이 일어나게 되며, 이로 인해 불안정 구조 상태에 놓이게 되어 흑연계 음극재와

비교할 때 안정성이 떨어진다는 큰 단점을 가지고 있습니다.

 

이러한 기술적 이슈를 극복하기 위해 실리콘 음극재는 순수 실리콘((Pure Si)을 사용하는 대신

실리콘 산화물(SiOx), 실리콘-탄소 복합체(Si-C)와 같이 안정성을 높인

음극활물질을 사용하게 됩니다.

실리콘 산화물 또는 실리콘 탄소 복합체 제품은 순수 실리콘 음극재에 비해 에너지 용량이

줄어들지만 그래도 흑연계보다는 약 4배 이상 에너지 용량이 크다는 장점이 있습니다.

이처럼 실리콘 산화물  또는 실리콘탄소 복합체 제품이 순수 실리콘 음극재가 가진 단점인

안정성 문제를 완화한 제품이지만 그래도 흑연계 음극재 제품에 비해 여전히 가격이

약 10배 가까이 높다는 단점을 갖고 있습니다.

 

아울러 안정성 이슈를 어느 정도 해결했다고 하더라도 실리콘 음극재만을 100% 사용하게 되면

여전히 부피팽창으로 인한 안정성 문제가 있기 때문에 음극재를 100% 실리콘으로 대체하기는

어렵습니다. 따라서 음극재는 기존 천연 흑연 그리고 인조흑연 음극재에 실리콘계 음극재까지

섞어서 사용하는 형태로 발전하고 있습니다.

 

실리콘 음극재는 주로 고가의 High-End급 전기차부터 사용 비중이 높아지는 추세

실리콘 음극재 성장률

 

일부 High-End 전기차는 가격에 크게 구애받지 않기 때문에 실리콘 음극재가 5% 이상 사용되기도

합니다. 실리콘을 사용하면 음극재의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다.

흑연계 100% 음극재에 실리콘 음극재 10% 섞어 사용하면 동일한 에너지 밀도를 낸다는 가정하에

이론적으로 음극재의 부피를 약 27% 줄일 수 있습니다.

또한 음극재를 100% 실리콘만 사용하면 흑연계 음극재와 비교해 이론적으로 음극재의 부피를

87% 줄일 수 있습니다. 일부 기관의 전망에 따르면 2030년 기준으로 음극재에 실리콘을 5% 이상

혼합하는 배터리의 비중이 30% 가까이 확대될 것으로 예상되기도 합니다.

이에 따라 향후 실리콘 음극재의 사용비중은 점차 확대될 것으로 전망됩니다.

 

또한 현재 개발 중인 전고체 배터리 기술 개발이 완료되면 전해질이 액체에서 고체로 변경되어

화재 안정성을 확보하게 되므로 음극재의 경우는 흑연(천연/인조) 음극재에서 에너지 용량을

높일 수 있는 실리콘 음극재와 리튬 메탈 음극재로 빠르게 전환될 것으로 예상됩니다.

 

국내기업 개발 및 양산 진행 현황

대주전자재료

실리콘 음극재를 이미 양산 진행하여 LG에너지솔루션에 납품 중이며 또한 2024년 1분기부터

SK 온에도 납품을 진행하고 있을 것으로 예상되며 올해 말까지 1만 톤 규모의 Capa를

확보할 것으로 예상됩니다.

대주전자재료 음극재 Capa 증설 계획

포스코홀딩스

포스코 그룹은 현재 주력 제품인 천연 흑연 그리고 인조 흑연과 함께 차세대 제품인 실리콘 음극재

사업도 준비 중입니다.

포스코홀딩스는 실리콘 음극재 양산을 위해 자회사인 포스코실리콘 솔루션을 설립했으며

포스코홀딩스의 미래기술연구원 그리고 포스코퓨처엠과 함께 힘을 모아 2030년까지

3만 5천 톤 규모의 실리콘 음극재 양산체제를 구축할 계획입니다.

이를 통해 포스코그룹은 음극재 분야에서 모든 제품군에 대응 가능한 포트폴리오를

구축하게 될 것으로 예상됩니다.

 

그 외에도 에코프로 그룹, SKC, 한솔케미칼등의 기업들이 실리콘 음극재 개발과 상용화를 준비하고

있습니다.

 

다음 시간에는 차세대 실리콘 음극재 중 하나인 리튬 메탈 음극재에 대해서 알아보도록 하겠습니다.