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[Tech 스토리] 테슬라가 주목한 전기차 배터리 '음극재'

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[편집자주] 기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 최근 전세계 전기차 업계 1위 테슬라가 배터리 데이 행사를 열면서 전기차 배터리 업계는 한창 들썩였습니다. 포스트 반도체로 주목되는 전기차 배터리 시장에 테슬라가 얼마나 영향력을 미치게 될 지에 대한 관심이 높았기 때문이죠.

전기차 배터리는 전기차의 급격한 성장과 맞물려 빠른 성장을 보이고 있습니다. 시장조사업체 IHS마킷이 예상한 전기차 배터리 시장 규모는 오는 2025년 1600억 달러(약 190조원)입니다. 2025년 1490억 달러(약 173조원)로 전망되는 메모리 반도체 시장보다 더 커질 수 있다는 것입니다.

특히 이날 테슬라 발표에서 배터리 업계가 관심을 쏟았던 기술 중 하나는 '실리콘 음극재'였습니다. 많은 배터리 업체들이 양극재의 니켈 비중을 늘려 에너지 밀도를 높여왔지만 한계에 봉착하자 음극재 개발로 영역을 확대하고 있는 추세입니다.

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리튬이온 배터리 충방전 원리. [사진=삼성SDI]

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◆ 리튬이온, 양극-음극 이동하며 배터리 충방전

음극재를 설명하기에 앞서 전기차 배터리에 사용되는 리튬이온 배터리의 원리와 구성 요소부터 알아보겠습니다.

리튬이온 배터리는 양극', '음극', '분리막', '전해질(전해액)'로 구성돼 있습니다. 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화환원 반응'을 통해 발생하는 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 것이죠.

양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 '리튬산화물(Li + O)'로 구성돼 있습니다. 충전 시에는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동하고 방전 시에는 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다.

여기서 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 돕는 매개체 역할을 합니다. 이온은 전해액을 통해 이동하고, 그 동안 전자는 도선으로 이동하게 됩니다. 그러면서 전기가 발생되는 것이죠.

분리막은 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 양극과 음극을 분리시키는 일을 합니다.

양극과 음극이 배터리 용량, 수명을 좌우한다면 전해질과 분리막은 안전성을 결정짓는 구성요소라고 볼 수 있습니다.

◆ 양극재로 용량 높였지만...수명 단축 막기 어려워

양극은 배터리 특성을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리 용량과 전압이 결정됩니다. 중요성이 높은 만큼 배터리 원가에서도 차지하는 비중이 높습니다. 양극재는 배터리 원가의 40~45%를, 전기차 가격의 20%를 차지합니다.

현재 대부분의 전기차용 리튬 배터리는 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al)을 배합해 양극 활물질로 사용하고 있습니다.

주로 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등의 조합으로 사용하는데 각 금속의 비율에 따라 특성이 조금씩 다릅니다. 현재는 니켈 함유량을 높여 에너지 밀도를 높이는 방식이 경쟁적으로 사용되고 있습니다.

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[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 음극재로 사용하는 흑연은 충방전 시 리튬이온 이동으로 팽창하게 돼 수명이 줄어든다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

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하지만 리튬이온 배터리의 특성 강화를 위해서는 양극재 만으로는 한계가 있습니다. 에너지 밀도 확대와 충전 시간 단축을 이루는 것이 양극재 개발로만은 어렵다는 것을 확인한 것이죠.

특히 음극재가 개발되지 않고서는 줄어드는 수명을 막기가 어렵습니다. 양극이 아무리 리튬이온을 보낸다 해도 이를 받아들이는 음극 구조가 무너지면 소용이 없는 셈이죠.

이런 이유로 음극재가 양극재 못지 않게 중요한 소재로 떠오르고 있습니다.

현재 주로 사용되고 있는 음극재는 흑연(Graphite)입니다. 흑연은 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조입니다. 아주 규칙적인 구조로 돼 있죠.

흑연을 '아파트'라고 생각하면 쉽습니다. 오랜 시간 충방전으로 리튬이온이 흑연(방)을 들락날락 하게 되면 그 방은 망가져 못쓰게 됩니다.

충전 시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가는데, 이 때 리튬이온이 들어간 흑연이 팽창 됩니다.

리튬이온이 흑연 층을 왔다 갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명도 미세하게 감소됩니다. 다만 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성에 문제가 있는 건 아니라고 하네요.

이러한 부피 변화는 용량에도 영향을 미칩니다. 제조사들은 이러한 구조적 변화를 고려해 약간의 여유를 두고 배터리를 설계합니다.

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[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 배터리 업계는 음극재로 실리콘을 채택하고 있다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

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◆ '실리콘'으로 수명연장+에너지밀도↑

배터리 제조사들은 양극에 맞춰 효율적인 음극을 만들기 위해 단위 부피당 에너지 밀도가 높고 팽창이 되지 않는 소재 개발에 집중하기 시작했습니다.

팽창이 많이 되는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 많이 잡아야 하기 때문에 빈 공간이 많아져 용량이 상대적으로 줄어들게 됩니다. 반면 부피가 덜 팽창하는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 적게 가져갈 수 있어서 보다 높은 용량을 가질 수 있는 것이죠.

이에 음극재로 인조흑연을 많이 사용하는 추세입니다. 초기에 주로 사용했던 천연흑연은 전압이 낮고 더 많이 부풉니다. 반면 인조흑연은 에너지밀도는 유사하지만 소재의 균일성이 높아 충방전 수명이 길어지는 장점이 있습니다. 다만 가격이 천연 흑연보다는 비쌉니다.

인조흑연 사용은 앞으로 더 늘어날 전망입니다. 시장조사업체 SNE 리서치에 따르면 2차전지 음극재 인조흑연 비중은 지난해 53%에서 2025년 60%로 성장이 예상됩니다.

나아가 차세대 소재로 '실리콘(Si)'이 주목받고 있습니다. 흑연이 팽창하지 않도록 하는 코팅 기술이 발전하면서 용량을 더 높이기 위해 흑연에 실리콘을 섞기 시작한 것입니다.

하지만 실리콘에는 치명적 단점이 있습니다. 바로 '팽창'입니다. 아무리 흑연에 팽창 방지 코팅을 적용했다 하지만 이 것만으로는 부족하기 때문이죠. 실리콘은 흑연 대비 30~40배 이상 팽창합니다.

그럼에도 실리콘을 선택한 이유는 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 개선할 수 있다는 데 있습니다. 또한 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 흑연을 대체할 고용량 음극소재로 기대되고 있습니다.

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[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 실리콘 음극재 시장 규모. [자료=하이투자증권] 2020.09.25 sjh@newspim.com


SNE리서치는 지난해 약 3% 비중을 차지했던 실리콘 음극재가 2025년에는 약 11%에 이를 것으로 분석했습니다. 하이투자증권은 음극재 시장 규모가 올해 약 133억원에서 2025년 5조5000억원 규모로 급격히 성장할 것이란 전망을 내놓기도 했습니다.

이에 배터리 업계는 실리콘의 구조를 안정화 시키는 방향의 연구 개발에 공을 들이고 있습니다.

◆ 실리콘 음극재 주목...'팽창' 최소화 관건

국내외 배터리 업체들은 실리콘을 차세대 음극재로 보고 이를 활용한 배터리 개발에 나서고 있습니다.

글로벌 전기차 배터리 1위인 LG화학은 지난해 하반기에 출시된 유럽 전기차에 실리콘 음극재를 적용한 중대형 배터리를 전세계 최초로 공급했습니다.

안정성 문제 해결을 위해 도전제에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합해 사용하는 방안도 추진 중입니다. 실리콘 음극재에 CNT 도전제를 적용하면 부피 팽장 문제를 해결하면서도 전자 이동 시간을 줄여 충전시간까지 단축시킬 수 있습니다.

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삼성SDI는 '실리콘 카본 나노복합소재(SCN)'라는 독자 기술을 사용하고 있습니다. 실리콘을 머리카락 두께 수 천분의 1 크기인 '나노' 단위로 쪼갠 뒤 이를 흑연과 혼합해 팽창 문제를 해결했습니다.

SK이노베이션도 실리콘을 첨가해 한 번 충전에 700㎞를 주행하고 10분 충전으로 300㎞를 주행할 수 있는 전기차용 음극재를 개발 중입니다.

최근 테슬라도 배터리데이 행사에서 실리콘 음극재를 사용한 배터리를 개발하겠다고 발표했습니다. 또한 테슬라 개발자 출신이 설립한 미국 스타트업 실라 나노테크놀로지스도 이 대열에 참여하고 있습니다. 올해 중국 배터리 회사 ATL에 전자기기용 소형 배터리를, 2023년에는 전기차용 배터리 첫 공급을 목표로 준비 중입니다.

"힘세고 오래가는 건전지"라는 카피라이트가 한 때 유명했었습니다. 그만큼 처음처럼 오래 사용하는 건전지에 대한 시장의 니즈가 크다는 것이죠.

지금의 전기차 배터리에서는 힘세고 오래갈 뿐 아니라 충전 시간까지 짧게 줄이는 것이 핵심입니다. 현재의 단점들을 누가 빨리 개선하느냐가 향후 배터리 시장을 이끌어 갈 것으로 보입니다.

sjh@newspim.com

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