[배터리완전정복]⑪전기차 '5분완충'의 꿈, 실리콘 음극재가 이룬다

편집자주지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

스웨덴 전기차 브랜드인 폴스타는 지난 9일(현지시간) '폴스타데이' 행사에서 5분 안에 100마일(약 160㎞) 주행거리를 충전할 수 있는 배터리를 폴스타5에 시범 적용할 것이라고 밝혔다. 이 배터리는 이스라엘 스타트업인 스토어닷(StoreDot)의 'XFC(extreme fast charging)'다. XFC 배터리는 음극재에 실리콘을 적용했다. 이 회사는 100마일 주행거리 충전 시간을 2028년에는 3분, 2032년에는 2분으로 단축하겠다는 목표를 제시하고 있다. 국내 배터리 소재 기업인 대주전자재료는 지난 14일 SK온에 실리콘 음극재를 공급한다고 발표했다. 이 회사가 실리콘 음극재를 공급한 것은 LG에너지솔루션에 이어 두 번째다.

과거와 비교해 전기차가 많이 대중화됐다고는 하지만 여전히 구입을 꺼리는 이들이 많다. 가장 큰 이유는 충전이 불편하고 1회 충전 시 주행거리가 기존 내연기관차와 비교해 만족스럽지 못하기 때문이다. 이 2가지 난제를 풀어줄 해법으로 주목받고 있는 것이 실리콘 음극재다.

배터리에서 음극재는 충전할 때 리튬이온과 전자를 품고 있다 방출하는 역할을 한다. 일종의 저장고라 할 수 있다. 저장고의 성능에 따라 배터리의 충전 속도와 수명이 결정된다.

그동안 리튬이온배터리는 충전 용량을 확대하기 위해 양극재 물질 개발에 주력해 왔다. 니켈의 비중을 높여 용량을 끌어올리는 하이니켈 배터리의 개발이 대표적이다. 현재 니켈의 비중이 80%에 이르는 NCM811(니켈·코발트·망간의 비율이 8:1:1) 배터리가 상용화됐으며 니켈 비중 90% 기술도 개발되고 있다. 양극재로는 배터리 용량을 더 확대하기에 한계에 이르렀다.

이에 배터리 업계에서는 음극재 성능 개선에 주력하고 있다. 음극재는 주로 흑연(Graphite)이 쓰였다. 천연 흑연이나 인조 흑연은 안정적으로 리튬이온을 저장할 수 있는 장점이 있다. 흑연을 대체할 수 있는 차세대 음극 물질로 실리콘, 산화주석, 알루미늄 등이 연구되고 있다. 이중 가장 주목받고 있는 것이 실리콘이다. 중국이 2023년 12월 1일부터 흑연 수출 통제에 나서기로 하면서 대안으로 실리콘 음극재에 대한 관심도 더욱 높아졌다.

저장 용량 10배…'스웰링' 현상 극복이 과제

실리콘(Si, 규소)은 어디서든 구하기 쉽다. 실리콘은 지각을 이루고 있는 물질 중 28%를 차지한다. 산소(46%)에 이어 두 번째로 풍부한 물질이다. 흑연은 원자 6개 리튬이온 1개를 저장한다. 이에 비해 실리콘은 원자 4개가 리튬이온 15개를 저장할 수 있다. 이론적으로 실리콘 음극재의 단위 중량당 에너지 용량은 4200밀리암페어시(mAh)/g까지 가능하다. 흑연의 이론상 에너지 용량(372mAh/g)의 약 10배에 달한다.

음극재의 저장 능력이 개선되면 충전 속도를 높일 수 있다. 또 적은 음극 물질로 리튬 이온을 저장할 수 있기 때문에 배터리의 중량(부피)을 줄일 수 있다. 즉, 단위 중량(부피)당 에너지 저장 용량이 증가함으로써 에너지 밀도(Wh/㎏, 혹은 Wh/L)를 향상시킬 수 있는 것이다.

그렇지만 음극재로서 실리콘은 치명적인 단점이 있다. 바로 충전할 때 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생한다는 점이다. 흑연은 충전할 때 약 10% 정도 팽창하지만, 실리콘의 팽창률은 300~400%에 이른다. 충·방전을 계속하면서 팽창과 수축이 반복되면 결국 균열이 발생하며 배터리를 더 쓸 수 없게 된다.

실리콘 음극재는 흑연에 비해 리튬이온을 더 많이 저장할 수 있지만 충전시 팽창(스웰링) 현상이 나타난다. 팽창과 수축이 반복되면 표면에 균열이 발생하며 배터리를 더 사용할 수 없게 된다.(사진출처:넥세온 홈페이지)

따라서 현재 실리콘 음극재는 기존 흑연에 실리콘을 소량 첨가하는 방식으로 상용화되고 있다. 현재까지는 기술적 한계로 5~10%까지만 첨가한다. 실리콘 5% 첨가 시 기존 흑연 음극재 대비 에너지 밀도는 약 10~15% 향상되는 것으로 알려졌다. 배터리 업계는 중장기적으로 25~30% 첨가를 목표로 하고 있다.

실리콘 음극재는 기존 흑연과 비교해 초기쿨롱효율(ICE, Initial Coulomic Efficiency)이 좋지 못하다는 단점도 있다. 초기쿨롱효율이란 1회 충전 용량 대비 방전 용량의 비율(방전용량/충전용량 X100)을 의미하며 초기 충·방전효율이라고도 한다. 예를 들어 첫 충전 시 500mAh/g의 용량을 구현하고 방전 시 450mAh/g의 용량을 나타냈다면 초기 쿨롱 효율은 90%다. 흑연 음극재의 경우 ICE는 95%를 나타내지만 실리콘 음극재는 70~80%대에 머물러 있다.

실리콘 음극재에서 초기 쿨롱 효율이 낮은 것은 흑연 음극재에 비해 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층이 불규칙하게 형성되기 때문이다. SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 음극재 표면에 생기는 얇은 고체막을 뜻한다. 이 SEI가 고르지 못하면 리튬이온의 이동을 방해해 충·방전 효율을 떨어뜨린다.

실리콘 음극재는 흑연에 비해 비싼 점도 극복해야 할 문제다. 실리콘이 가진 기술적인 문제들을 해결하기 위해 코팅하거나 첨가물을 넣게 되는데 이 과정에서 가격이 올라가는 것이다.

현재 상용화되고 있는 실리콘 음극재는 크게 산화실리콘(SiOx)계열과 실리콘-탄소복합체(Si-C) 계열 2가지다. 일부에서 실리콘만을 사용하는 '퓨어 실리콘' 기술도 개발되고 있으나 아직 상용화 단계에는 이르지 못했다.

SiOx는 나노(Nano)화한 실리콘 입자를 산화실리콘으로 코팅하는 방식으로 만들어진다. Si-C는 실리콘과 탄소의 기계적 결합으로 제조한다. SiOx는 Si-C에 비해 부피팽창이 적으나 초기쿨롱효율(ICE)이 낮은 것이 약점으로 지적된다. Si-C는 초기쿨롱효율이 좋으나 부피팽창에서 불리하다. 소재 기업들은 각자 강점을 강화하고 약점을 보완할 수 있는 다양한 공법을 개발하고 있다.

싱글월탄소나노튜브(SWCNT) 구조 (출처:LG에너지솔루션)

스웰링 현상을 줄이기 위해 탄소나노튜브(CNT) 소재의 도전재를 함께 사용하기도 한다. 도전재는 양극재나 음극재에 함께 사용해 전자의 흐름을 촉진시키는 역할을 한다. 특히 CNT 도전재를 실리콘 음극재에 첨가하면 팽창 현상을 어느정도 막을 수 있다. CNT 도전재는 6개의 탄소원자가 서로 연결돼 원통형 모양으로 말려 있는 구조다.

실리콘 음극재용 CNT 도전재는 한겹으로 이루어진 싱글월탄소나노튜브(SWCNT)가 주로 쓰인다. SWCNT는 러시아의 옥시알((OCSiAL)이 독점적으로 생산했으나 일본의 제온 한국의 나노신소재, 코본, 제이오 등이 시장에 새로 진출하며 경쟁 구도를 이루고 있다.

테슬라, 4680 배터리에 채용할 듯…GM·폭스바겐도 관심

기술적 난제에도 불구하고 배터리 업계에서는 실리콘 음극재가 결국 보편화될 것으로 보고 있다. 테슬라는 4680 원통형 배터리에 실리콘 음극재를 적용하는 방안을 추진하고 있다. 테슬라에 배터리를 공급하는 파나소닉은 지난 7월 영국 스타트업인 넥세온(Nexeon)으로부터 실리콘 음극 물질을 구매하기로 했다고 발표했다. 파나소닉은 2025년부터 캔자스 공장에서 넥세온의 음극 물질을 적용한 리튬이온배터리를 생산할 계획이다. 넥세온은 SKC가 2021년 8000만 달러(약 1042억원)를 투자하며 주목을 받은 바 있다.

테슬라이외에도 제너럴모터스(GM), 포드, BMW 등 완성차 업체들은 실리콘 음극재 배터리를 탑재하거나 탑재할 계획이다.국내 대표적인 실리콘 음극재 업체인 대주전자재료가 SK온에 실리콘 음극재를 공급한 것도 이같은 기대감을 키우고 있다. 대주전자재료는 2019년부터 LG에너지솔루션에 실리콘 음극재를 공급하고 있다. LG에어지솔루션의 이 배터리는 포르쉐 타이칸 전기차에 적용됐다. 폭스바겐은 2021년 '파워데이'에서 에너지밀도 향상과 충전 시간 단축을 위해 실리콘 음극재를 확대 적용하겠다고 밝힌 바 있다.

BMW는 전기차 뉴i7에 삼성SDI의 P5(옛 Gen5) 배터리를 탑재했다. 이 배터리는 하이니켈 양극재와 실리콘 음극재를 적용했다. 삼성SDI는 자체 고유 기술인 SCN(Silicon Carbon Nanocomposite)'을 적용했다. GM은 2022년 9월 미국 팔로알토에 위치한 실리콘 음극재 개발 스타트업 원디배터리사이언스(OneD Battery Science)와 협력한다고 발표한 바 있다. GM벤처스는 이 회사에 2500만달러(약 325억원)를 투자하기도 했다.

포스코·SK·롯데·한솔 등 대기업도 진출 선언

소재 기업들의 움직임도 활발하다. 전 세계적으로 실리콘 음극재의 선두 기업은 중국의 BTR(베이터뤼)과 일본의 신에츠(Shin Etsu)화학이 손꼽힌다. 국내에서는 대주전자재료가 처음으로 실리콘 음극재를 상용화했다. 이 회사의 생산 능력은 2023년 현재 약 3000톤(t) 수준으로 2024년에 1만t, 2025년에 2만t 확대할 계획이다.

포스코 그룹, SK 그룹 등 대기업들도 앞다투어 실리콘 음극재 개발에 나섰다.

포스코홀딩스는 2022년 7월 SiOx 기술을 보유한 테라테크노스를 인수해 사명을 포스코실리콘솔루션으로 변경하고 자회사로 편입한 바 있다. 이 회사는 포항 영일만 산업단지에 연산 450t 규모의 1단계 공장을 건설중이다. 흑연 음극재를 생산하고 있는 포스코퓨처엠도 SiOx와 Si-C 기반 음극재를 개발하고 있으며 2026년 양산을 목표로 하고 있다. 포스코퓨처엠은 100% 실리콘으로 이루어진 퓨어실리콘 음극재도 개발하고 있다.

SK머티리얼즈는 지난 2021년 미국 배터리 소재 기업인 그룹14(Group14)와 합작사 SK머티리얼즈그룹14를 설립했다. 이 회사는 2023년 경북 상주에 연 2000t 규모의 실리콘 음극재 공장을 준공했다. 영국 넥세온에 대한 지분 투자 및 라이선스 계약을 체결한 SKC는 실리콘 음극재 자회사 얼티머스를 설립했다. 이 회사는 넥세온의 기술을 활용해 내년 1월 실리콘 음극재를 시범 생산할 계획이다.

롯데머티리얼즈는 2023년 7월 실리콘 음극재 기술을 보유한 프랑스 스타트업인 엔와이어즈(Enwires)와 지분 투자 계약을 맺었다. 이 회사는 2027년부터 양산에 돌입한다는 계획이다. 한솔케미칼 850억원을 들여 전북 익산에 SiC 계열 실리콘 음극재 양산을 준비하고 있다. LG화학은 퓨어실리콘 개발을 진행중이다.

에너베이트가 개발중인 실리콘 음극재 배터리(사진=에너베이트)

해외 기업들의 움직임도 활발하다. 미 캘리포니아 어바인에 위치한 에너베이트(Enevate)는 지금까지 르노-닛산-비쓰비시가 공동으로 설립한 얼라이언스벤처스, LG화학, 삼성벤처투자로부터 약 1억9100만달러를 투자 받았다. 이 회사는 5분안에 400㎞ 주행 거리를 충전할 수 있는 실리콘 음극재 배터리를 개발하고 있다. 이회사는 음극활물질에 70%의 퓨어 실리콘을 사용해 3000mAh/g의 에너지밀도를 구현했으며 초기 쿨롱 효율은 90% 이상을 나타내고 있다고 밝혔다. 하지만 아직 상용화 단계에는 이르지 못한 것으로 파악된다. 지난 9월에는 미 배터리 기업인 낸트G(NantG)와 차세대 고성능 배터리 제조를 위한 파트너십을 체결했다고 발표한 바 있다.

또다른 미국의 스타트업 앰프리우스(Amprius)도 퓨어실리콘 을 개발중이다. 이 회사는 단위 중량당 에너지밀도 450Wh/kg, 6분 안에 80%까지 충전할 수 있는 실리콘 음극재 배터리를 파트너사와 테스트중이라고 밝혔다. 현대공업은 지난 2021년 앰프리우스에 약 140만달러 규모의 지분을 투자한 바 있다.

<참고문헌>

디지털데일리, '테슬라 4680 배터리 '실리콘 음극재' 적용 추진', 2023.5.4
CeanTechnica, 'Panasonic To Produce Higher-Energy-Density Batteries In USA With Silicon From Nexeon', 2023.7.25
Techcrunch, 'GM partners with and invests in OneD Battery Sciences in quest for cheap, energy-dense EV batteries', 2022.9.29
신한투자증권, '2차전지소재 다음은 Si+ CNT', 2023.3.15
하나증권, '실리콘음극재 및 CNT 도전재 시장 분석, 2023.6.5
에너베이트(Enevate) 홈페이지
앰프리우스(Amprius) 홈페이지