하이니켈 양극재 배터리는 한계 직면
에너지 출력 높은 실리콘 음극재 주목
포항·익산·상주... 곳곳에 들어선 공장
우주산업 뜨자 전고체 배터리도 각광

전자제품 소재 기업 대주전자재료의 실리콘 음극재 배터리를 탑재한 포르쉐 전기차 '타이칸'. 포르쉐 제공

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글로벌 전기차 시장은 충전 인프라 부족과 보조금 축소 등에 따른 ‘캐즘(Chasm일〮시적 수요 둔화)’에 직면하면서 암울한 상황이다. 국내 전기차 업계에선 “살 사람은 다 샀다”라는 자조적인 목소리도 나온다. 캐즘을 돌파하기 위해선 소비자들을 다시 현혹할 만한 인프라와 기술 혁신이 필수다. 전기차 충전소가 주유소처럼 도처에 설치되거나, 충전 시간 5분이면 한 달간 전기차 운행이 가능하도록 하는 정도의 혁신이 있어야 한다는 말이다.

현재 업계에서 전기차 캐즘을 끝낼 혁신 기술로 관심을 받는 건 2차전지의 에너지 밀도를 올리는 '실리콘 음극재' 배터리다. 실리콘 음극재 시장이 열릴 경우 글로벌 2차전지 시장의 패러다임이 송두리째 바뀔 거라는 전망까지 나온다.

시각물_실리콘 음극제

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양극재 니켈 함량 아무리 높여도...

2차전지는 크게 양극재와 음극재, 분리막, 전해질의 4가지로 구성된다. 현재 전기차에 가장 많이 쓰이는 ‘리튬이온’ 배터리가 에너지를 생성하는 방법은 간단하다. 배터리를 충전할 때는 니켈과 코발트가 포함된 양극재에서 리튬이온이 방출돼 전해질을 거쳐 음극재에 쌓이고, 이후 방전될 때는 반대 과정이 이뤄지는 방식이다.

지금까지 세계 배터리 기술의 역사는 주로 리튬이온을 저장하는 역할을 하는 니켈의 함량을 높이는 데 초점이 맞춰져왔다. 니켈 함량이 높아야 배터리에 리튬이온을 많이 저장하고, 그럴수록 배터리에서 더 많은 에너지를 충전하는 게 가능해서다.

문제는 양극재에서 니켈의 함량을 높이는 2차전지 개발 방식이 이제 한계에 도달했다는 점이다. 현재 가장 최신 배터리 기술인 ‘하이니켈 양극재’는 니켈 함량이 80% 이상인 경우를 뜻하는데, 반대로 말하면 니켈 함량을 더 이상은 높이기 어려운 수준까지 개발이 최대한 이뤄진 것이다. 실제 니켈 함량 80% 이후부터는, 니켈 함량이 1%포인트 늘어날 때마다 에너지 용량을 약 2㎃h/g밖에 증가시킬 수 없다.

현재 LG에너지솔루션과 SK온, 삼성 SDI 등이 생산 중인 하이니켈 양극재의 에너지 출력은 1g당 205㎃h 정도로, 이를 계산하면 니켈 함량이 100%에 도달했을 때 최대 에너지량은 약 250㎃h/g 수준에서 끝나게 된다. 250㎃h(밀리암페어시)는 250밀리암페어(㎃)의 전류를 1시간 동안 공급하는 양이다.

실리콘 음극재 배터리가 탑재될 예정인 메르세데스-벤츠의 차세대 G바겐 전기차 'EQG‘. 메르세데스-벤츠 제공

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실리콘 리튬이온 저장 능력 흑연의 22배

하지만 전기차를 비롯해 우주산업에 이르기까지 배터리 활용 가능성이 무궁무진해지면서 2차전지의 에너지 용량을 지속적으로 확대할 필요성이 커졌다. 양극재를 통한 기술 향상이 명백한 한계점에 도달하자 업계에서 시선을 돌리고 있는 곳이 바로 음극재다. 그중에서도 리튬이온 저장 능력이 뛰어난 실리콘에 가장 많은 관심이 쏠린다.

2차전지를 충전하는 동안 양극재에서 음극재로 리튬이온을 보낼 때, 음극재가 리튬이온을 많이 저장하면 할수록 나중에 높은 에너지를 생성하는 게 가능하다. 2차전지에 쓰이는 음극재 물질인 흑연은 탄소원자 6개당 리튬이온을 1개밖에 저장할 수 없는데, 실리콘은 탄소원자 4개당 리튬이온 15개 비율로 결합한다.

이 숫자만 계산하면 실리콘 음극재가 흑연 음극재에 비해 리튬이온 저장 능력이 약 22.5배나 높다. 이에 따라 흑연 음극재의 에너지 출력은 1g당 350~370㎃h 정도인 데 반해, 실리콘 음극재는 그 10배 이상인 1g당 4,200㎃h에 달한다. 실리콘 음극재가 전기차가 한 번 충전으로 주행할 수 있는 거리를 늘리는 것은 물론 충전 속도도 획기적으로 단축시킬 거라는 기대가 나오는 이유다.

다만, 실리콘 음극재가 상용화하기 위해선 넘어야 할 두 가지 난관이 있다. 바로 부피 팽창(Swelling) 현상과 상대적으로 높은 가격이다. 음극재에서 흑연은 리튬과 반응할 때 부피가 약 10% 커지는 데 반해, 실리콘은 300~400%나 팽창한다. 음극재의 부피 팽창은 배터리의 기계적 손상을 유발해 배터리 수명을 크게 단축시킬 수밖에 없다.

하나증권에 따르면 현재 실리콘 음극재 가격은 1㎏당 60~80달러로, 흑연 음극재(1㎏당 8달러)에 비해 10배 가까이 비싸다. 업계에선 실리콘 음극재 가격이 개발 공정의 혁신을 거쳐 향후 1㎏당 40달러 아래로 하향 안정화될 거라고 기대하지만, 아직은 상용화하기에 수지 타산이 맞지 않는 실정이다.

시각물_실리콘 음극제

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수명·가격이 상용화 발목... 대안 등장

때문에 업계에선 실리콘 소재 100%를 이용한 음극재를 사용하기보다 실리콘에 다른 물질을 섞은 '실리콘 화합물' 음극재를 적용해 상용화에 나서는 방안을 찾고 있다. 음극재에 실리콘 소재를 100% 사용하는 것보다 에너지 출력은 떨어지지만, 주요 단점들을 보완할 수 있어서다. 대표적인 게 산화실리콘(SiOx), 실리콘-탄소 복합체(Si-C)다.

산화실리콘은 실리콘과 산소를 결합해 구조적 안정성을 강화하고 실리콘의 부피 팽창 현상을 최소화한 물질이다. 다만 구조적으로 단단히 결합하다 보니 리튬이온과 반응성이 떨어져 ‘쿨롱 효율’이 낮다는 단점이 제기된다. 쿨롱 효율이란 배터리 충방〮전 비율을 말하는데, 낮을수록 시간이 지나면서 배터리 완충 용량이 빠르게 감소한다. 휴대폰 배터리가 사용 기간이 길어지면 배터리를 완충해도 방전 시기가 예전보다 빨라지는 것과 같은 원리다. 반면 실리콘-탄소 복합체는 쿨롱 효율이 높아 배터리 기능에 충실하다는 장점이 있지만, 부피 팽창 문제에서 자유롭지 못하다.

현재 산화실리콘은 대주전자재료와 포스코홀딩스가, 실리콘-탄소 복합체는 한솔케미칼과 SK그룹, 엠케이전자 등이 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 산화실리콘 음극재를 국내 최초로 상용화해 양산 중인 대주전자재료는 지난해 전기차 2개 차종(포르쉐 '타이칸', 아우디 'e트론')에 해당 음극재를 공급했고, 포스코홀딩스는 지난해 7월 실리콘 음극재 전문기업 테라테크노스를 인수한 데 이어 최근엔 경북 포항 영일만산업단지에 실리콘 음극재 공장을 준공했다.

실리콘-탄소 복합체 계열에선 한솔케미칼이 전북 익산에 실리콘 음극재 공장을 지어 가동 중이고, SK그룹도 지난해 경북 상주에 연간 2,000톤 규모의 실리콘 음극재 공장을 완공해 2026년까지 연간 생산량을 1만 톤으로 늘릴 예정이다.

극한의 저온에서도 얼지 않는 배터리

미국 항공우주국(NASA·나사)의 화성 탐사 로버 ‘퍼서비어런스’. 나사 제공

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2차전지가 우주까지 사용처가 확장되면서 음극재를 넘어 전해질 개발도 이뤄지고 있다. 우주 공간은 섭씨 영하 200도와 영상 150도 이상의 극한 기온이 나타나기 때문에 온도 변화에 강한 재료와 설계가 배터리에 적용돼야 한다. 도칠훈 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 책임연구원은 “배터리에 열이 없으면 전압이 나오지 않아 무용지물이 된다”며 “리튬이온 배터리가 우주에 나가면 얼음덩어리가 되기 때문에 작동시키려면 열을 공급해줘야 한다”고 설명했다.

때문에 우주에서 사용되는 배터리는 주로 방사성 동위원소를 활용한 열전지(RTG)가 활용돼왔다. RTG는 방사성 동위원소(주로 플루토늄-238)의 자연적인 방사성 붕괴로 발생하는 열을 전기로 변환하는 전지를 말한다. 실제 2021년 2월 화성에 착륙한 미국 항공우주국(NASA·나사)의 탐사 로버 ‘퍼서비어런스'에 RTG가 적용됐다. RTG는 화성의 낮과 밤, 먼지 폭풍 등 환경 변화 속에서도 꾸준히 에너지를 공급해 탐사 장비를 유지하는 역할을 했다.

하지만 RTG는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 10~15% 정도에 불과해 전력 생산량이 매우 적다. 게다가 방사성 동위원소를 사용한다는 점에서 발사 중 폭발 사고가 나거나 지구에 재진입할 때 파편이 발생하면 광범위한 방사능 오염도 우려된다. 플루토늄-238은 자연적으로 거의 존재하지 않아 인공적으로 만들어야 해서 생산 비용이 매우 높은 것도 RTG의 단점이다.

이에 따라 우주에서 사용될 2차전지로 관심을 모으는 게 전해질이 고체로 된 전고체 배터리다. 우주 같은 극한의 저온 환경에서도 전해질이 얼어붙을 염려 없이 안정적으로 배터리 성능을 유지할 수 있고, 리튬이온 배터리보다 에너지 출력이 최대 2배 이상 높아 우주선이나 탐사 장비의 무게를 줄이면서도 가동 시간을 크게 늘릴 수 있을 걸로 기대된다. 도 연구원은 “나사가 전고체 배터리를 심우주 탐사 임무에 적용하기 위한 연구를 진행 중”이라며 “전고체 배터리는 우주 환경에서 요구되는 안전성, 내구성, 에너지 밀도, 수명 면에서 뛰어난 성능을 제공한다”고 말했다.

김현우 기자 777hyunwoo@hankookilbo.com