에너지 밀도가 높아 흑연 음극재를 대체할 것으로 기대를 모으는 실리콘 음극재 시장에서 주도권을 잡기 위한 경쟁이 치열해지고 있다. 업체들은 서로 다른 실리콘 음극재 기술 개발로 미래 배터리 소재시장 선점을 노리고 있다.

소재업체들이 실리콘 음극재 적용기술 개발로 미래 소재 시장 선점을 노린다.(사진=삼성SDI)

14일 업계에 따르면 소재업체들은 크게 세가지로 나뉘는 실리콘 음극재 기술로 기술 경쟁을 시작했다.이 기술은 각기 다른 장단점을 가지고 있다.

실리콘은 현재 음극재로 사용되는 흑연보다 에너지밀도가 약 4배 높아 업계에서 활발히 연구 중이다. 밀도 차이에도 불구하고 업계는 현재 이 방식을 통해 만든 실리콘 음극 소재를 기존 음극재에 3~5% 혼합(블랜딩)해 적용한다.

실리콘 음극재가 사용되지 않은 가장 큰 이유는 짧은 배터리 충방전 수명이다. 충방전 단계에서 실리콘 소재 부피팽창이 발생해 배터리 수명이 굉장히 짧아진다. 업계에서 목표로 하는 배터리 수명은 스마트폰 300~500, 전기차 1000회 충방전을 사용했을 때 최초 에너지양 대비 80% 저장이 가능한 수준이다. 현재 실리콘 음극재는 이에 크게 못 미친다.

업계는 실리콘의 입자를 작게 만들어 다른 산화물을 섞어 복합화시키는 연구를 진행한다. 실리콘 소재가 작아지면 충방전 스트레스를 견디는데 유리하다. 여기에 다른 소재들이 실리콘의 팽창을 물리적으로 막는 개념이다.

현재 업계에서 개발하는 실리콘 음극재 생산 기술 방식은 크게 세가지다. 첫째는 나노 크기 실리콘을 실리콘기반 산화물(옥사이드)로 감싸는 방법이다. 실리콘 옥사이드 방식은 여러 기술 중 충방전 수명이 가장 길다. 초기 효율과 충방전 속도가 느린 것은 단점이다. 실리콘 옥사이드 제조 가격이 비싸 세 방법 중 가장 제조 비용이 높다는 문제도 있다. 국내에서는 대주전자재료가, 해외에서는 일본 히타치, 신에츠가 개발한다.

두번째는 나노 크기 실리콘을 합금과 급냉시켜 합금이 실리콘을 감싸게 만드는 방식이다. 이 방식을 실리콘 알로이(Si Alloy)라 불린다. 이 방법은 실리콘옥사이드보다 전기전도도가 좋다. 이 방식은 국내에서 일진전기가 연구한다.

세번째는 나노 크기 실리콘 주위를 탄소로 코팅하는 방식이다. 실리콘 탄소 복합체로 불린다. 부피팽창을 막아내는 힘이 다른 방식보다 약해 실리콘이 많이 들어가지 못한다. 이에 따라 용량이 다른 방식보다 적다. 국내에서 SJ신소재와 포스코켐텍이 연구한다.

배터리 셀 생산 업체인 삼성SDI, LG화학은 세가지 방식을 모두 검토한다. 아직까지 사용량이 너무 적어 주도적인 기술을 특정하기 어렵기 때문이다.

이 방법들 중 어떤 기술이 흑연을 대체할지는 5년 내에 결정될 전망이다. 업계의 목표는 음극재 내 실리콘 비중을 10% 이상으로 높인 배터리를 개발하는 것이다. 실리콘 비중이 10% 이상이 되면 어떤 실리콘 음극재 제조 방식이 가장 효과적일지 비교 가능할 것으로 보인다.

엄지용 자동차부품연구원 선임연구원은 “업계는 현재 음극재 3~5%를 차지하는 실리콘을 10%이상으로 늘리는 것을 목표로 연구 중”이라며 “빠르면 3년, 늦어도 5년 안에 구현돼 어떤 실리콘 음극재 제조 기술이 적합할지 결정될 것”이라고 밝혔다.