실리콘은 전기차의 충전 속도를 높이는데 결정적인 영향을 미치는 소재입니다. 2차 전지의 음극재로 널리 사용되는 흑연 대신 실리콘을 사용할 경우 흑연계 음극재 대비 배터리의 g당 용량이 4배나 이상 높아진다고 하는데요. 그뿐만 아니라 배터리의 급속 충전 설계도 쉬워 차세대 음극재로 주목받고 있죠.
우선 실리콘에 대해 한 가지 짚고 넘어가겠습니다. 실리콘에는 ‘Silicon’과 ‘Silicone’이 있다는 것, 알고 계셨나요? 우리가 일상에서 주방용품 등으로 많이 접하는 실리콘은 ‘Silicone’으로 규소와 산소의 결합을 주축으로 하는 고분자 화합물입니다. 오늘 우리가 알아볼 실리콘은 ‘Silicon’으로, 바로 ‘규소’의 영어식 표현이기도 하죠.
‘실리콘(Silicon, 규소)’은 원자번호 14번, 기호는 Si를 사용하는 준금속 원소입니다. 실리콘은 지각 무게의 약 27.6%를 차지하며, 지각에서 산소 다음으로 풍부한 원소인데요. 자연 상태에서는 원소가 아닌 이산화규소나 규산염 등의 형태로 존재하는데 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 흙과 모래의 주요 성분이기도 합니다.
실리콘이 함유된 흙과 모래는 고대부터 건축 재료로 사용되어 왔는데요. 흙 속에 실리콘과 산소가 단단하게 결합해 있던 탓에 실리콘이 하나의 원소라는 사실은 1800년대에 들어서야 발견되었습니다. 1787년 프랑스의 라부아지에(A. Lavoisier)가 최초로 실리콘에 대해 연구를 했으나 당시 기술로는 완벽하게 원소를 추출하지 못해 규소 산화물인 실리카를 원소로 규정했습니다. 그러다 1824년 스웨덴의 베르셀리우스(J. Berzelius)가 실리콘을 홑원소로 환원시키는 것에 성공했죠.
‘실리콘(Silicon)’이라는 명칭은 스코틀랜드의 화학자 토마스 톰슨(Thomas Thomson)에 의해 만들어졌는데요. 라틴어로 부싯돌을 의미하는 ‘Silex’라는 단어에다가 이 원소가 붕소(boron), 탄소(carbon)와 성질이 비슷한 것에 착안하여 ‘-on’을 붙여 ‘Silicon’으로 명명하게 됩니다.
실리콘은 준금속이라는 성질과 재료 수급과 환경적 측면에서 지닌 장점 때문에 20세기 후반부터 반도체 산업의 핵심 소재로도 사용되고 있습니다. 반도체의 재료가 되는 얇은 원판인 웨이퍼가 주로 이 실리콘으로 만들어지기 때문이죠.
전기차 시대에 들어서며 실리콘은 반도체 분야를 넘어 배터리 업계에서도 크게 주목받고 있습니다. 바로 앞서 언급했던 ‘실리콘 음극재’ 때문인데요. 전기차 시장이 더욱 활성화되기 위해서는 배터리의 충전 속도와 주행 가능 거리가 매우 중요한데, 실리콘은 이에 모두 강점을 갖고 있는 것이죠. 다가올 2027년에는 음극재로서 실리콘이 기존의 천연 흑연 시장을 넘어설 것으로도 전망되고 있습니다.
하지만 실리콘이 음극재로서 장점만 갖는 것은 아닌데요. 리튬 이온과의 반응 중에 생기는 부피 팽창이나 쉽게 깨지는 성질 등 아직 해결해야 할 문제가 있습니다. 이를 해결하기 위해 흑연과 함께 활용하거나 그래핀을 활용하는 등 다양한 연구가 진행되고 있는데요. 과연 실리콘은 반도체에 이어 배터리 산업에서도 ‘대세’를 차지할 수 있을까요?