[궁금한 THE 이야기] ④ Next Level로 각광받는 실리콘 음극재

l 전기차 배터리의 핵심소재, ‘음극재’

배터리 산업의 메가 트렌드는 크게 세 가지로 말할 수 있다. 바로 배터리의 장수명화, 전기차 보급 확대를 위한 고속 충전, 주행가능거리 확대를 위한 고용량화이다. 지난 시리즈에서 다뤘던 양극재가 전기차의 주행거리와 배터리 출력을 좌우한다면, 양극재만큼이나 전기차 배터리에서 중요한 소재가 바로 음극재다. 전기차 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하기 때문이다.

배터리 재료비 원가 비중의 약 14%를 차지하는 음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 들어가면서 흑연이 팽창해 부피가 늘어나게 된다. 다시 말해, 흑연의 팽창은 시간이 지날수록 구조 변화를 일으켜 배터리의 용량이 줄어드는 원인이 된다. 최근 배터리 업계는 고용량 배터리에 대한 시대적 요구에 맞춰 차세대 음극 소재 개발을 앞다퉈 진행하고 있다.

현재 음극재는 규칙적인 층상구조로 쌓여있는 흑연을 주로 사용하고 있으며, 크게 천연흑연과 인조흑연으로 나뉜다. 천연흑연은 리튬이온을 보관할 수 있는 가장 안정적이면서 저렴한 재료였으나, 사용 중 팽창 문제로 구조적 안정성이 점차 떨어지자 이를 개선한 인조흑연의 사용 비중이 점차 높아지는 상황이다. 인조흑연은 3000℃ 이상의 고온열처리를 통해 만들어져 천연흑연에 비해 결정성이 높고 구조가 더 균일해 안정성이 높다. 다만 석유계피치나 콜타르 원료를 가공해 침상코크스를 만들고, 침상코크스를 분쇄한 뒤에 뭉쳐서 가열하는 등의 추가 제조공정으로 가격이 비싸다.

흑연은 탄소 원자 6개당 리튬이온 한 개가 저장되지만, 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개가 저장되는 구조를 갖기 때문에 실리콘 기반 음극재 단위 에너지 용량이 흑연보다 약 10배가량 높다. 결국 실리콘 음극재는 흑연계 음극재보다 고용량 · 고출력의 성능을 가지고 있어 전기차 배터리의 주행거리를 혁신적으로 늘리는 차세대 소재로 주목받고 있다.

l 몸값 높아지는 실리콘 음극재

시장조사업체 SNE리서치가 19일 발표한 ‘리튬이차전지 음극재 기술동향 및 시장전망’ 보고서에 따르면 2019년 기준 전체 음극활물질 수요량은 약 19만 톤이다. 보고서는 2025년까지 전체 음극활물질 수요량이 약 136만 톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 전망했다. 이 가운데 가장 높은 비중을 차지하는 인조흑연은 2019년 53%에서 2025년 60%로 소폭 증가할 것으로 보인다. 두 번째로 높은 비중을 차지하는 천연흑연은 43%에서 28%로 비중이 다소 감소하지만, 여전히 인조흑연에 이어 가장 많이 사용되는 음극활물질이 될 것으로 보인다.

이때 주목할 만한 점은 음극재 시장 수요 비중에서 가장 낮은 비율로 차지하는 실리콘 음극재를 오는 2025년 11% 성장으로 전망한 것이다. 높은 에너지밀도를 기반으로 전기차 주행거리를 확보하는 것이 전기차 시장이 당면한 과제로서 실리콘 음극재의 전지 내 사용 비중은 점차 높아질 것이란 얘기다.

실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리는 늘리고, 급속 충전 설계가 쉬워 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제적인 소재이기도 하다. 이 같은 장점에도 불구하고 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 위험성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 진행하고 있으며, 배터리의 부피 팽창 부작용을 어떻게 빨리 개선하느냐가 시장 주도권을 확보할 수 있는 포인트가 될 것이라 보고 있다.

l 음극소재 국산화에 나서는 포스코케미칼

전기자동차 및 에너지 저장산업 성장에 따라 음극재 수요가 계속 늘어날 것으로 전망하는 가운데, 중국이 전 세계 대부분의 흑연이 매장되어 있을 뿐 아니라 생산과 공급을 점유해 전 세계 음극재 시장 72%를 차지하는 독보적인 입지를 자랑한다. 중국의 주요 음극재 생산 기업은 베이터뤼(BTR), 즈천과기(Zichen), 산산과기(Shanshan) 등이 있다. 일본 기업으로는 히타치(Hitachi)와 미쓰비시(Mitsubishi)가 있고, 우리나라는 현재 포스코케미칼이 국내 유일하게 천연흑연 기반 음극재를 양산공급하고 있다. 배터리 제품보다 핵심 소재에서 생기는 부가가치가 더 크다는 점을 감안하면 소재 국산화가 시급한 시점이다.

이에 포스코케미칼은 흑연 공급망을 확보해 음극소재 국산화 및 대한민국 배터리 산업 경쟁력 강화에 힘쓰고 있다. 특히, 국내 최초로 인조흑연 음극재 생산체제를 구축하기 위해 블루밸리산업단지에 연산 8,000톤 규모 인조흑연 음극재 1단계 공장을 착공했다. 종합 준공될 시 포스코케미칼은 연산 1만 6,000톤 규모 인조흑연 음극재 생산 능력을 갖추게 되며, 이는 고성능 전기차 기준 약 42만 대에 공급 가능한 양이다.

이에 그치지 않고 포스코케미칼은 천연흑연과 인조흑연의 강점을 모두 살린 저팽창 음극재를 독자 개발하며 차세대 음극재 개발에도 힘을 쏟고 있다. 저팽창 음극재는 천연흑연을 활용해 제품 가격은 낮추고 팽창 방지를 위한 소재 구조를 개선해 인조흑연 수준으로 충전 시간을 단축하고 수명은 늘린 소재다.

한편, 포스코그룹(포스코홀딩스)은 지난 7월 실리콘 음극재 전문 기업 테라테크노스를 인수했다. 테라테크노스는 2017년부터 연속식 SiOx 제조 기술을 개발해온 국내업체다.

SiOx는 나노실리콘 입자 위에 산화물계 실리콘을 합성하여 실리콘의 팽창을 최소화한 음극재로, 테라테크노스는 SiOx제품의 연속제조공정 기술을 보유한 것으로 알려져 있다. 포스코홀딩스는 최근 인수한 테라테크노스의 사명을 포스코실리콘솔루션으로 바꾸고 계열사로 편입시켰다. 앞으로 포스코케미칼이 축적한 음극재 양산 노하우를 바탕으로 음극재 사업을 확장해 나갈 방침이다.

포스코실리콘솔루션은 SiOx 음극재 사업화를 위해 국내 배터리 업계와 SiOx 샘플 제품을 테스트하고 있으며, 앞으로 포스코케미칼과 협력해 제품 고도화 및 양산에 나설 예정이다. 소재 업계 관계자는 “이미 흑연 음극재를 양산하고 있는 포스코케미칼이 SiOx 음극재까지 양산한다면 음극재업체로서 종합적인 포트폴리오를 구축하게 됨으로써 경쟁력이 한층 올라갈 것”이라고 말했다.

국내에서 유일하게 음극재와 양극재를 동시 생산하는 포스코케미칼은 △인조흑연 음극재의 장수명화 △저팽창 천연흑연 음극재 생산능력 확대 △전기차 주행거리 향상을 위한 실리콘 음극재 양산 △전고체 배터리 시대를 열어갈 리튬메탈 음극재 개발까지 ‘소재의 힘’으로 글로벌 전기차 산업의 고도화를 주도해 나갈 것으로 기대된다.