배터리를 구성하는 요소 중 하나인 음극은 양극에서 이동해온 리튬이온을 저장하는 공간입니다. 음극에서 리튬이온이 삽입되면 충전이 되고, 리튬이온이 다시 양극으로 돌아가면 에너지가 방출되어 방전이 됩니다. 이처럼 음극이 배터리 충방전에 직접적으로 관여하므로, 음극을 구성하는 소재인 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명을 결정하게 되죠.
이로 인해 음극재의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 배터리 업계에서는 고성능 배터리를 만들기 위해 음극재 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이번 시간에는 음극재의 종류와 각 특성을 인포그래픽을 통해 살펴보겠습니다!
음극재의 전통 강자, ‘흑연 음극재’
흑연(Graphite)은 리튬이온배터리 음극재로 가장 많이 쓰이고 오래된 소재입니다. 흑연은 탄소 원자로만 이루어져 있으며, 탄소 원자가 육각형의 모양으로 반복되는 여러 판이 쌓인 층상 구조를 가지고 있습니다. 이러한 규칙적인 층상 구조 덕분에 리튬이온을 안정적으로 저장할 수 있다는 특징이 있습니다.
음극재로 쓰이는 흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나눌 수 있습니다. 천연흑연은 리튬이온 저장용량이 크고 생산 비용이 저렴하지만, 충∙방전 시 내부 구조가 팽창해 부피가 늘어나면서 배터리 수명이 줄어들 수 있습니다. 이를 보완하기 위해 인조흑연을 사용하기도 하는데요. 인조흑연은 2,500℃ 이상의 고온 열처리를 거치기 때문에 내부 구조가 안정돼 배터리 수명이 길고, 구조적으로 리튬이온 이동통로가 많아 급속 충전에 유리하다는 특징이 있습니다.
LG에너지솔루션은 이처럼 많은 장점을 지닌 흑연의 공급망을 탄탄히 구축하고 있습니다. 호주 광산기업 시라 리소스(Syrah Resources Limited)와 천연흑연 공급 업무협약(MOU)을 체결하여 2025년부터 양산하는 천연흑연 2,000t을 공급받으며, 그 규모를 지속적으로 확대할 예정입니다.
에너지 밀도를 높인 ‘실리콘 음극재’
배터리 성능과 용량이 증가하면서 고속 충전이 가능한 음극재의 중요성이 높아지고 있습니다. 이러한 흐름에 따라 주목받고 있는 음극재는 실리콘(Silicon)입니다.
실리콘을 음극재에 사용하게 되면 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 흑연이 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 원자 1개당 리튬이온 4.4개를 저장하는데요. 이러한 특성으로 인해 실리콘 음극재가 흑연 음극재보다 g당 용량이 4배 이상 높아 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있죠.
이처럼 에너지 밀도가 향상되면 전기차의 주행거리를 늘릴 수 있고, 배터리 급속충전 설계에도 용이해집니다. 또 실리콘은 풍부한 자원량으로 인해 경제적이고, 친환경적인 소재이기 때문에 음극재로 활용하기 좋은 장점들을 갖추고 있습니다.
LG에너지솔루션은 실리콘 음극재의 필요성을 깨닫고 일찍이 개발에 나섰는데요. 2019년 실리콘 5%의 음극재를 세계 최초로 순수 전기차에 적용한 성과를 이루었습니다. 현재는 100% 실리콘으로 구성된 ‘퓨어 실리콘(Pure Silicon)’ 기술 개발 중입니다.
음극재의 차세대 주자, ‘리튬메탈 음극재’
실리콘 음극재와 더불어 차세대 음극재로 급부상하고 있는 소재가 있는데요. 이는 바로 리튬메탈(Li-metal)입니다.
리튬메탈(Li-metal)은 단위 질량당 높은 용량을 보유하고 있어, 동일한 무게로 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 흑연의 이론 용량*이 372mAh/g인 것에 비해 리튬메탈의 이론 용량은 3,860mAh/g으로 약 10배 이상 차이가 납니다. 이러한 특징 때문에 리튬메탈 음극재가 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
*이론 용량 : 전극소재 내 저장될 수 있는 물리적 한계치의 최대 리튬이온 함량
또 리튬메탈을 음극재에 활용하면 음극의 두께를 얇게 제조할 수 있습니다. 단위 질량당 높은 용량을 가지고 있기 때문에 같은 용량에 더 얇은 배터리를 만들 수 있죠. 이로 인해 공간 활용도가 높아 보다 많은 배터리를 탑재할 수 있는데요. 제품의 사용시간을 늘릴 수 있고, 전력 소비량이 큰 시스템에 적합하죠.
그리고 리튬메탈 음극재는 기존 배터리보다 고속 충전이 가능하다는 장점이 있습니다. 리튬메탈 음극재는 이론상 음극으로 이동한 리튬이온이 틈새를 찾을 필요 없이 표면에서 리튬금속으로 환원되어 바로 전착됩니다. 때문에 기존 배터리보다 더 빠른 속도로 충전이 가능합니다.
이같이 차세대 음극재로 주목받는 리튬메탈 음극재를 확보하기 위해 LG에너지솔루션은 개발에 선제적으로 나섰고, 꾸준히 연구에 매진 중입니다. LG에너지솔루션은 2027년 말부터 소용량 시스템용 배터리에 리튬메탈 음극재를 적용하고, 이후 고용량 시스템용 제품까지 확대할 예정입니다.
지금까지 다양한 음극재의 종류와 차별점을 인포그래픽으로 살펴보았습니다.
LG에너지솔루션은 높은 수준의 연구 개발을 지속하고, 음극재 시장을 선도하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 앞으로도 기술 경쟁력을 강화하는 LG에너지솔루션의 활약을 지켜봐 주세요!