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 시간이 짧아지기 때문에, 급속 충전에도 핵심적인 기능을 하고 있습니다. 이렇게 중요한 역할을 하는 음극재는 어떻게 발전하고 있을지 함께 알아보겠습니다.
음극재(Anode material)란 무엇일까?
음극재(Anode material)는 리튬이온배터리에서 양극(+)에서 나온 리튬이온을 삽입하고 방출하면서 전기를 발생시키는 역할을 하는 소재입니다. 수명이 긴 배터리를 구현하기 위해서는 음극재가 리튬이온을 반복적으로 삽입·방출할 수 있어야 합니다. 이러한 과정이 안정적으로 이루어질수록 배터리는 오랜 충·방전 사이클에서도 성능을 유지할 수 있습니다.
현재 가장 널리 사용되는 음극재, 흑연
현재 상용 리튬이온배터리에서는 다양한 음극 소재가 연구되고 있지만, 가장 널리 사용되는 소재는 흑연입니다. 흑연은 천연흑연과 인조흑연으로 나뉩니다.
흑연은 규칙적인 층상 구조를 가지고 있어 리튬이온이 그 사이에 들어가 삽입될 수 있습니다. 이러한 구조 덕분에 리튬이온의 삽입과 방출이 안정적으로 이루어지며, 배터리의 안정적인 충·방전을 가능하게 합니다.
하지만 리튬이온이 삽입될 때 흑연 입자의 내부 구조가 팽창하고 표면이 불안정해지면서 삽입·방출 능력이 저하될 수 있고, 이는 배터리 수명 감소로 이어질 수 있습니다.
배터리의 성능과 용량이 증가함에 따라 더 많은 에너지를 저장하고 더 빠르게 충전할 수 있는 차세대 음극재에 대한 필요성이 점차 커지고 있습니다.
차세대 음극재로 주목받는 실리콘
이러한 흐름 속에서 흑연의 뒤를 이을 소재로 꼽히는 것이 바로 실리콘입니다. 흑연은 탄소 6개당 리튬이온 1개를 저장하는 반면, 실리콘은 실리콘 원자 1개당 최대 4.4개의 리튬이온을 저장할 수 있습니다.
즉 실리콘 음극재는 흑연 음극재에 비해 이론 용량1이 약 4-10배 높습니다. 이러한 특성은 배터리의 에너지 밀도를 크게 향상시켜 전기차 주행거리를 늘리는 데 도움이 되며, 동시에 급속 충전 설계에도 유리한 특성을 제공합니다.
또한 실리콘은 경제적이면서도 친환경적인 소재이기 때문에 차세대 음극재로 더욱 주목받고 있습니다.
실리콘 음극재 시장 전망
전문가들은 전기차 시장이 급속도로 성장함에 따라 2차전지 음극재 시장도 함께 성장할 것으로 전망하고 있습니다. 특히 실리콘 음극재 시장이 큰 폭으로 성장할 것으로 예상됩니다.
시장 조사에 따르면 글로벌 실리콘 음극재 시장 규모는 2023년 약 6억 달러에서 2025년 21억 달러, 2030년 45억 달러, 2035년 70억 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다.2
실리콘 음극재의 기술적 과제
물론 실리콘 음극재에도 아직 해결해야 할 문제들이 있습니다. 대표적인 문제는 리튬이온과 반응하는 과정에서 발생하는 부피 팽창입니다. 실리콘은 충·방전 과정에서 큰 부피 변화를 겪으며, 이 과정에서 입자가 쉽게 깨질 수 있습니다.
이러한 특성은 전극 구조 안정성과 배터리 수명에 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 해결하기 위한 다양한 소재 기술이 연구되고 있습니다. 최근에는 실리콘 음극재의 성능과 안정성을 높이기 위해 실리콘 산화물(SiOx)과 실리콘-탄소 복합체(Si-C)와 같은 다양한 형태의 소재 개발도 활발히 이루어지고 있죠.
* (인포그래픽#20) 실리콘 음극재_실리콘 산화물 & 실리콘 탄소 복합체 보러가기
핵심 Q&A
Q. 음극재란 무엇인가요?
음극재는 리튬이온을 저장하고 방출하며 배터리의 충·방전 성능과 수명에 영향을 미치는 핵심 소재입니다.
Q. 실리콘 음극재의 특징은 무엇인가요?
실리콘 음극재는 흑연보다 훨씬 많은 리튬이온을 저장할 수 있어 배터리 에너지 밀도를 크게 높일 수 있는 차세대 음극 소재로 주목받고 있습니다.
Q. 실리콘 음극재의 최신 기술 동향은 무엇인가요?
최근에는 실리콘 산화물(SiOx)과 실리콘-탄소 복합체(Si-C) 등 다양한 형태의 실리콘 음극재 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
LG에너지솔루션은 실리콘 음극재 연구개발을 통해 의미 있는 성과를 이어오고 있습니다. 2019년 실리콘 5% 음극재를 세계 최초로 순수 전기차에 적용했습니다. 이어 2021년 마이크로 실리콘 음극재를 적용한 장수명 전고체배터리 개발에 성공했죠. 또 2024년에는 고강도 분리막 설계를 통해 실리콘 음극재의 부피 팽창 문제를 개선하는 기술을 확보했습니다.
이처럼 LG에너지솔루션은 실리콘 음극재의 한계를 넘어, 기술 혁신을 이어가고 있습니다. 세계 최고의 배터리 기술 확보를 위해 앞장서는 LG에너지솔루션의 활약을 앞으로도 기대해 주시기 바랍니다.
