[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = SK가 전기차 배터리 용량을 획기적으로 높이는 실리콘 음극재 공장을 완공하고 본격적인 양산 채비에 나섰다.

세계에서 실리콘 음극재 상용화에 성공한 기업은 두세 곳에 불과할 정도로 신규 업체 진입이 어려운 시장으로 중국과 일본 업체가 대부분이다. 국내에선 대주전자재료가 유일하다.

음극재는 양극재에서 나온 리튬이온을 저장한다. 현재 전기차 배터리의 필수 소재인 음극재는 흑연을 주원료로 사용하고 있다. 실리콘이 흑연보다 10배 많은 에너지를 저장할 수 있고, 자원량이 풍부해 차세대 소재로 실리콘 음극재가 떠오르고 있다.

◆ 실리콘 음극재 국산화 '성큼'...다수에 셀 메이커에 공급 예정

[서울=뉴스핌] 신수용 기자 = 지난 15일 인터배터리에서 공개된 SK온의 배터리 NCM9의 업그레이드 버전인 NCM9+. NCM9은 니켈 비중이 약 90%에 달하는 고성능 하이니켈 배터리다. SK온이 지난 2019년 세계 최초로 개발했다. 2023.03.31 aaa22@newspim.com

31일 업계에 따르면 SK머티리얼즈가 미국 배터리 소재기업 그룹14테크놀로지스와 설립한 합작사(JV) 'SK머티리얼즈그룹14'의 SiC 계열 실리콘 음극재 공장이 완공됐고 3분기부터 양산할 예정인 것으로 알려졌다.

SK머티리얼즈는 SK머티리얼즈그룹14 지분의 75%를 갖고 있다. 합작사에서 생산하는 실리콘 음극재는 SK온 등 국내외 셀 메이커 및 완성차 업체에 공급할 것으로 전망된다.

이 공장은 경북 상주 청리일반산업단에 위치해 있으며, 올해 3분기부터 상업 생산에 들어간다. 2025년 목표 매출은 5900억원이다. 연산 2000톤(t)을 시작으로 2025년까지 추가 증설을 통해 1만t 규모로 생산 규모를 늘릴 계획이다. 

SK머티리얼즈는 SiC 계열 실리콘 음극재에 들어가는 원재료이자 특수 가스인 모노실란(SiH4) 공장도 내년 완공할 예정이다.

SK머티리얼즈는 실리콘 탄소 복합체(탄화규소·SiC)계열 실리콘 음극재에서 향후 실리콘 복합 산화물 (산화규소·SiO×)계열 개발에도 대응하는 등 배터리 소재 전반으로 포트폴리오를 다변화할 계획이다. 

SK머리티얼즈 관계자는 "여러 셀 메이커와 완성차 업체를 대상으로 마케팅을 진행 중"이라고 말했다.

◆ 실리콘 함량 1.3~1.4배 ↑...SK머티리얼, 세계 2위 제품인 모노실란 가스 사용

SiC 계열 실리콘 음극재. [사진=SK머티리얼즈]

SK머티리얼즈그룹14의 SiC 계열 실리콘 음극재는 다공형이다. 실리콘을 가스 형태로 충진해 제작하는 데 이 과정에서 생긴 빈 공간이 부피 팽창을 억제해 파손을 방지한다.

여기에 SK머티리얼즈가 세계 시장 점유율 2위를 차지하고 있는 SiH4이 사용된다.이는 실리콘이 나노급의 미세한 기공 안에 균일하게 증착되게 한다. 이는 배터리 충전 속도를 더 빠르게 하고 음극재 수명을 더 길게 한다는 장점이 있다. 

SK머티리얼즈의 조사에 따르면 SK온의 배터리 NCM 9에 SiC 100% 탑재 시 흑연 음극재에 비해 주행거리가 50% 이상 늘어나고, 충전 속도가 60분에서 15분으로 단축되는 등 성능 개선 효과가 큰 것으로 나타났다.

코팅형에 비해 다공형 방식이 기술적 난도도 더 높다. SK머티리얼즈그룹14은 이에 대한 특허를 받은 상태다. 코팅형은 나노 크기 실리콘 주위를 탄소로 코팅하는 방식이다.

기존의 SiO× 계 실리콘 음극재 보다 실리콘이 1.3~1.4배 더 들어갔다. SiC 계열 실리콘은 부피 팽창을 막아내는 힘이 약해 실리콘이 많이 들어가지 못하는 한계를 극복한 것으로 풀이된다.

SK머티리얼즈그룹14 외에도 SKC, 한솔케미칼, 포스코케미칼 등이 SiC 투자와 개발을 진행 중이다. 이들 중 SK머티리얼즈그룹14이 8500억원으로 가장 투자 금액이 높다.

음극재 업계 관계자는 "실리콘 음극제 상업화가 기술적으로 까다로운 이유는 팽창에 있는데, 실리콘 함량을 높이면서도 팽창을 최소화해 결함으로 이어지지 않도록 제어하는 기술이 핵심 경쟁 요소가 될 것"이라고 말했다.

aaa22@newspim.com