[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 전기차 보급이 확대되면서 배터리(이차전지) 용량을 획기적으로 높일 수 있는 실리콘 음극재 경쟁이 본격화되고 있다.

13일 업계에 따르면 국내 배터리 3사뿐 아니라 LG화학과 포스코그룹 등 다수의 기업이 실리콘 음극재 투자를 가속화하고 있다.

◆ 실리콘계, 기존 흑연계 음극재보다 용량 높아, 전기차 주행 거리↑...중국·일본 기업이 주도권

실리콘 이미지. [사진=LG에너지솔루션]

현재 이차전지 음극재는 흑연을 주원료로 사용하고 있는데, 실리콘이 흑연보다 10배 많은 에너지를 저장할 수 있어 실리콘으로 대체하려는 시도가 일고 있다.

음극재는 배터리의 핵심 소재 중 하나로 에너지를 저장했다가 방출하는 역할을 한다. 흑연계와 실리콘계로 나뉘는데, 흑연의 가격이 상대적으로 저렴하고 안정성이 높다는 평가를 받는다. 

다만 저장 용량에 한계가 있어 배터리 성능 개선이 어렵다는 점 등이 단점으로 꼽혀왔다. 실리콘 음극재는 흑연에 비해 용량이 10배 이상 높아 전기차 주행거리를 늘리고 자원량도 풍부하다는 장점이 있다.

실리콘 음극재 개발의 핵심은 실리콘 함량을 높이면서도 팽창 현상을 최소화하는 데 달렸다. 실리콘은 충전과 방전을 반복하는 과정에서 부피가 팽창해, 실리콘 함량이 높을수록 부피 팽창에 따른 폭발 가능성이 있어 현재 실리콘 함량은 5% 내외 수준에 머물고 있다.

◆ 국내 기업 실리콘 음극재 상용화 속도↑

삼성SDI가 실리콘 음극재를 적용한 젠5(Gen5) 배터리 이미지.[사진=삼성SDI]

세계에서 실리콘 음극재를 상용화한 기업은 한 자리에 수렴할 만치, 신규 진입이 어려운 시장이다. 상용화에 성공한 곳은 중국과 일본업체가 대부분이다. 국내에선 대주전자재료가 유일하다.

국내 배터리 기업과 화학사들도 실리콘 음극재 양산에 나섰다.

LG에너지솔루션은 국내에서 최초로 실리콘 음극재를 양산했다. 지난 2019년 포르쉐 전기자동차(EV) '타이칸' 배터리에 적용했다. LG에너지솔루션은 실리콘 햠량을 5%에서 7%로 높이는 작업을 하고 있다.

삼성 SDI의 P5(젠5) 배터리는 니켈 함량 88% 이상인 하이니켈 양극재와, 음극재에 실리콘 함량을 약 7%까지 늘릴 수 있는 기술이 적용됐다.

이를 통해 기존 전기차 배터리보다 에너지 밀도는 20% 높이고 재료비는 20% 이상 절감했다는 설명이다. 최근 BMW가 출시한 전기차인 '뉴 i7'에는 삼성SDI의 P5가 탑재됐다.

LG화학은 6조원을 2025년까지 전지 소재 부문 육성에 투자한다. 2차전지 핵심 소재인 양극재와 분리막 외에도 음극재 소재 개발에 박차를 가하고 있다. LG화학 신학철 부회장은 지난해 2월 성장전략 발표에서 퓨어실리콘 개발을 중점 과제로 소개했다.

현재 연구 개발(R&D) 단계인 100% 실리콘으로 구성된 '퓨어 실리콘(Pure Silicon)' 기술은 기존 음극재 대비 획기적인 용량 개선을 가능하게 할 것으로 예상한다.

관련 기업 인수에 나선 사례도 있다. 포스코그룹은 지난해 7월에는 실리콘 음극재 전문기업 테라테크노스를 인수하고 사명을 '포스코실리콘솔루션'으로 바꾸기도 했다. 포스코홀딩스는 연내에 실리콘 음극재 공장 증설을 시작해 2024년 상반기에 양산·판매하겠다는 계획이다.

시장조사기관 SNE리서치에 따르면 실리콘 음극재는 2025년까지 연평균 70% 증가해 시장 규모가 3~4조원 규모에 이를 것으로 추정된다. 전체 음극재 시장에서 실리콘 음극재가 차지하는 비중도 현재는 한자릿수에 불과하지만 3년 뒤에는 15% 안팎에 달할 것으로 보인다.

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