2차 전지 '음극재' 성능향상 힘 쏟는 업계
충전속도 좌우하는 '실리콘' 함유량 경쟁

[파이낸셜뉴스]

포스코케미칼이 생산하는 2차 전지 음극재의 모습. 포스코케미칼 제공.

2차 전지업계가 자동차 배터리 소재인 '음극재' 성능 향상에 힘을 쏟고 있다. 음극재는 양극재·분리막·전해질 등과 함께 리튬이온 배터리의 4대 구성 요소 중 하나다.

양극재가 1회 충전 시 주행거리 등 배터리 성능을 좌우한다면, 음극재는 충전 속도를 결정 짓는다. 현재 보편적으로 쓰이는 '흑연계' 음극재에 '실리콘' 첨가 비율을 높이는 것이 관건이다. 실리콘 비율이 올라갈수록 충전속도가 빨라지지만, 부풀어 오르는 특성 탓에 안정화 기술이 필수다.

1일 관련 업계에 따르면 각 배터리 제조사와 소재사들이 실리콘 배터리 상용화에 박차를 가하고 있다. 음극재는 배터리 4대 구성요소 중 하나다. 음극재는 배터리를 충전할 때 '리튬이온'과 '전자'를 양극재로부터 받아두었다가, 방전할 때 다시 양극재로 내어주는 역할을 한다.

폭발적인 차량용 배터리 시장의 성장에 따라 음극재 수요도 큰 폭으로 증가할 전망이다. 올해 40만9000t으로 추산되는 음극재 수요 예측치는 오는 2025년 135만8000t에 달할 전망이다. 최근 음극재 업계의 화두는 '실리콘'이다. 현재 상용화된 전기차 배터리 대다수에는 흑연계 음극재가 쓰인다. 업계 관계자는 "양극재가 투수, 음극재는 포수라면, 최근 양극재 기술이 발전해 공(리튬이온)을 던지는 투수가 많아졌는데 받아줄 포수가 없다"며 "실리콘이 첨가될수록 포수가 많아진다"고 설명했다.

흑연을 구성하는 탄소는 원자 6개에 리튬이온 1개를 저장할 수 있다. 반면 실리콘은 리튬이온과 결합해 원자 5개로 총 22개의 리튬 원자를 저장한다. 실리콘 비율이 높을수록 배터리 용량이 늘어나고 충전 속도가 빨라지는 이유다.

하지만 무턱대고 실리콘 비율을 높일 순 없다. 쉽게 부풀어 오르는 특성이 있기 때문이다. 실리콘 첨가 비율을 늘리면서도 부풀어 오르는 현상을 잡는 기술이 관건이다. 현재 흑연계 음극재에 약 5~10%의 실리콘을 첨가하는 수준까지 개발된 것으로 파악된다.

국내 제조사 중 LG에너지솔루션과 삼성SDI가 실리콘이 첨가된 음극재가 쓰인 배터리를 만든다. LG에너지솔루션 관계자는 "실리콘이 첨가된 음극재 덕분에 20분 만에 배터리 용량의 80%까지 충전할 수 있다"고 설명했다. 삼성SDI관계자는 "실리콘을 머리카락 두께 수천분의 1 크기로 나노화한 기술로 실리콘 소재의 팽창 문제를 해결했다"고 밝혔다. 다만 아직 가격이 높은 탓에 고급 차량에만 탑재되고 있다.

최초로 음극재 국산화에 성공한 포스코케미칼은 실리콘 음극재 시장이 확장되는 시점에 본격적으로 뛰어들 계획이다. 이 회사 관계자는 "아직 (실리콘 음극재) 수요가 본격적으로 늘어나는 시점은 아니다"면서도 "시장이 열리면 본격적으로 양산할 계획"이라고 전했다. 포스코케미칼은 전 세계 배터리 음극재 시장의 11%를 차지하고 있다.

eco@fnnews.com 안태호 기자

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