리튬이온배터리의 양극재는 요구되는 성능에 따라 다양한 원소가 여러 조합으로 들어가며 에너지 밀도를 높이는 등 지속적으로 성능이 개선되고 있습니다. 하지만 양극재에서 많은 에너지를 만들어내더라도 이를 저장하는 역할인 음극재가 받쳐주지 않는다면 에너지를 효율적으로 이용할 수 없을 텐데요. 더구나 음극재가 리튬이온을 잘 받아들일수록 충전 시간도 짧아지기 때문에 사용자 입장에서는 양극재의 발전보다도 더 체감되는 발전일 수 있습니다. 이렇게 중요한 역할을 하는 음극재는 어떻게 발전하고 있을지 함께 알아보겠습니다.
음극재는 양극(+)에서 나온 리튬이온을 삽입, 방출함으로써 전기를 발생시키는 역할을 합니다. 수명이 긴 배터리의 음극재는 리튬이온을 반복적으로 삽입·방출할 수 있죠. 음극재에는 오래전부터 흑연(천연흑연, 인조흑연)이 주로 쓰이고 있는데요. 흑연은 규칙적인 층상 구조를 가지고 있어 리튬이온이 사이사이에 들어와 삽입될 수 있기 때문입니다. 하지만 리튬이온이 삽입될 때 흑연 입자의 내부 구조가 팽창하고 표면이 불안정해 삽입·방출 능력이 저하되면서 배터리 수명이 줄어듭니다. 때문에 배터리의 성능과 용량이 증가함에 따라 더 빠르게 충전이 가능한 차세대 음극재에 대한 니즈가 커지고 있습니다.
이에 흑연의 뒤를 이을 소재로 꼽히는 것이 바로 실리콘입니다. 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 실리콘 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장합니다. 흑연 음극재에 비해 실리콘 음극재가 1g당 용량이 10배 이상 높은 것이죠. 에너지 밀도를 획기적으로 향상시켜 전기차의 주행거리를 늘리는 것은 물론 배터리의 급속 충전 설계에도 유리합니다. 게다가 실리콘은 경제적이면서도 친환경적인 소재이기 때문에 더더욱 차세대 음극재로 주목받고 있는 것이죠.
전문가들은 전기차 시장이 급속도로 성장함에 따라 2차 전지의 음극재 시장도 함께 성장할 것으로 전망하고 있습니다. 특히 실리콘 음극재 시장이 큰 폭으로 성장할 것으로 보고 있는데요. SNE리서치에 따르면 실리콘 음극재 시장은 2020년 약 155억 원 규모에서 2025년 약 5조 6천억 원 규모로 가파르게 성장할 전망입니다.
물론 실리콘 음극재에도 아직 해결해야 할 문제들이 있습니다. 바로 리튬이온과 반응 중에 생기는 부피 팽창과 이로 인해 쉽게 깨지는 성질인데요. 하지만 LG에너지솔루션은 2019년 실리콘 5%의 음극재를 세계 최초로 순수 전기차에 적용하고, 현재는 세계 최초로 실리콘 7% 함량의 음극재 적용을 위한 기술 개발을 추진하고 있습니다. 지속적으로 기술을 혁신해나가는 LG에너지솔루션의 활약을 앞으로도 기대해 주시기 바랍니다.