실리콘 음극재

실리콘 음극재는 전기자동차 충전 속도를 높이는데 결정적인 영향을 미치는 음극재이다. 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재에 비해 g당 용량이 4배 이상 높다. 배터리의 급속 충전 설계가 쉽고 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 전기차 주행거리도 크게 늘릴 수 있다.

현재 실리콘 음극재를 양산하는 글로벌 대표 업체는 한국의 대주전자재료㈜(대표 임일지)와 일본의 신에츠 등이다. 특히 대주전자재료의 '고효율 실리콘산화물 음극재' 핵심 물질 특허는 한국·미국·유럽·일본·중국 등에 등록돼 있다. 세계 최초로 실리콘 음극 활물질을 파우치 셀에 상용화해 배터리 시장에 적용하고 있다. 대주전자재료㈜의 실리콘 음극재가 2019년 세계 최초로 폭스바겐 전기 스포츠카 포르쉐 타이칸 배터리에 탑재됐다

국내 대표적인 음극재 업체인 ㈜포스코케미칼도 실리콘 음극재 개발을 추진 중이다. 이외 ㈜에프아이씨신소재와 미국 에너베이트, 캐나다 네오배터리 등도 실리콘 음극재 시장에 도전하고 있다. 또 에스케이머티리얼즈㈜는 미국 음극 소재 기업 그룹14 테크놀로지와 합작사(가칭 '에스케이머티리얼즈 그룹14')를 설립한다고 2021년 7월 21일 밝혔다. ㈜한솔케미칼도 2차전지 소재사업의 다각화를 위해 삼성SDI㈜와 손잡고 2023년 상용화를 목표로 실리콘 음극재 개발에 뛰어들었다. 실리콘 음극재의 팽창 문제를 해결하기 위해 반드시 사용해야 하는 CNT 도전재를 세계에서 유일하게 생산한다. 포르쉐 타이칸 등에 탑재된 배터리에도 나노신소재의 CNT 도전재가 들어갔다.

단점

울산과학기술원(UNIST) 이현욱 에너지화학공학과 교수팀이 실리콘의 온도별 충·방전 특성을 분석한 결과, 실리콘 음극재는 낮은 온도에서 쉽게 깨진다는 연구 결과가 나왔다. 실리콘은 기존 상용화된 음극재인 흑연보다 10배 정도 용량이 크다. 이러한 특성으로 고용량 배터리 소재 후보로 꼽혔지만 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 입자와 전자가 파괴된다는 단점이 있다. 파괴되면서 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면이 형성되면 리튬이온 전달이 느려진다는 문제도 있다. 이 교수 연구팀은 부피가 팽창한 실리콘의 안정성 확보를 위해 온도별 부피 팽창과 파괴 양상을 분석했다. 먼저 방향성이 다른 3종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔(E-beam)으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작했다. 나노 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립했고, 여기에 전기를 충‧방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학반응을 살폈다. 그 결과 실리콘 웨이퍼의 결정면 방향에 따라 각 나노 기둥은 리튬 충전 후 서로 다른 부피 팽창 양상을 보였다. 높은 온도에선 부피 팽창의 방향성이 줄어들고 0℃ 이하에선 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다. 연구팀은 영하 20도 이하의 저온 환경에서 리튬 충‧방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 양상도 분석했다. 그러자 상온에서는 리튬이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300나노미터(㎚) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에선 전부 파괴됐다. 따라서 겨울철 저온 환경에서 충‧방전 시 실리콘 음극에서는 부피 팽창과 파괴가 나타날 수 있다. 저온에서 실리콘 음극의 기계적 거동을 규명하고 파괴를 완화하는 방법을 개발하는 추가 연구가 필요할 전망이다.

관련 기업

대주전자재료㈜

대주전자재료㈜는 국내 업계 최초로 실리콘 음극재를 양산하고 생산 능력을 강화하고 있는 회사이다. 대주전자재료는 2차전지 실리콘 음극재 사업장을 스마트 팩토리로 전환한다. 스마트 생산 공장을 활용해 시장 수요에 유연하게 대응하기 위함이다. 1차 구축이 끝나면 국내 최대인 실리콘 음극재 3000톤 규모를 갖춘 스마트 공장으로 탈바꿈한다. 실리콘 음극재 제조 공정의 자동화율을 크게 높일 예정이며, 생산 효율성과 품질 경쟁력을 동시에 향상시킨다. 대주전자재료는 글로벌 자동차 업체에 실리콘 함량 5% 음극재를 공급하고 5% 이상 제품도 개발하고 있다. 이 제품은 ㈜엘지에너지솔루션 전기차 배터리에 탑재됐다. 대주전자재료는 실리콘 음극재 수요에 대응해 국내 사업장 생산 규모를 확대하고 있다. 2023년 연간 3000톤 규모 생산능력을 갖추고, 2030년 10만 톤 이상 확대할 계획이다. 대주전자재료는 스마트 팩토리 전환을 위한 투자를 확대할 예정이다. 생산능력 확장에 대응해 스마트 팩토리 고도화 추가 투자가 이뤄질 것으로 보인다. 대주전자재료는 실리콘 음극재를 미래 성장 동력으로 키우기 위해 사업 경쟁력을 강화하고 있다. 실리콘 음극재 원재료 직접 생산으로 제품 가격 부담도 최소화한다. 실리콘 음극재 원재료는 대부분 중국에서 생산된다. 대주전자재료는 중국산 실리콘 음극재 원재료를 국산화하고 생산 효율성을 강화해 나갈 것으로 전망된다.

참고자료

• 박정연 기자, 〈고용량 배터리 실리콘 음극재, 추우면 잘 깨진다〉, 《동아사이언스》, 2022-09-12
• 김지웅 기자, 〈대주전자재료, 스마트 팩토리로 '실리콘 음극재' 생산 늘린다〉, 《전자신문》, 2022-11-14

같이 보기

• 실리콘
• 음극재

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