차세대 배터리 : 음극재 (리튬메탈 vs 실리콘)

 

1. 이차전지 개발 트렌드

이차전지 개발 트렌드 (출처: 하이투자증권)

 

• 이차전지 시장 개화 이후, 배터리의 성능에 가장 큰 영향을 주면서 원가의 가장 큰 비중을 차지하는 양극재 위주의 연구개발이 집중됨. NCM622 이차전지를 시작으로 주행거리를 늘리기 위해 니켈 함량을 극대화하는 연구가 계속 되었고, NCM811이 상용화되었고 이제 NCM9반반이 개발 막바지에 있음.
• 중국에서 집중하던 LFP 배터리는  NCM 대비 주행거리 측면에서 떨어지면서 관심을 받지 못하다가 성능이 향상과 더불어 저렴한 가격과 안전성이 화두가 되면서 2023년 기준 배터리 시장의 46.6%를 차지함. 현재 LFP 배터리의 95%가 중국산이고 그중 80%가 CATL과 BYD에서 생산 중임. 최근 한국 배터리 기업들도 LFP 배터리 개발에 돌입하였지만 전기차용 배터리 생산 계획은 2년 후임.
• 양극재의 성능은 빠르게 향상되어 에너지 밀도가 300Wh/kg 수준으로 증가하였지만, 음극재의 개발은 비교적 더뎌 시장 개화 시기에 사용되던 흑연 음극재가 그대로 사용되고 있음. 양극재에서 더 많은 리튬이온을 보관하는 만큼 동일한 양의 리튬이온을 음극재에서 수용해야 하므로 음극재에 대한 연구가 이제 본격화되고 있음.
• 흑연 음극재를 대체할 차세대 음극재로 리튬메탈 음극재와 실리콘 음극재가 각광을 받고 있음.

2. 실리콘 음극재

실리콘 음극재 비교표 (출처: 신한투자증권)

• 이미 일부 전기차에 적용되고 있는 실리콘 음극재에 대해 먼저 설명하겠음. 흑연은 6개의 탄소가 모여 정육각형 구조로 리튬이온 하나를 보관할 수 있음. 반면 실리콘은 정사면체의 다이아몬드 격자 구조를 가지고 있어 실리콘 원자 4개로 리튬이온 15개를 보관할 수 있음. 이론적으로 흑연 대비 10배의 리튬을 저장할 수 있고, 충전 시간도 30% 이상 단축 가능함.
• 현재는 기존 흑연 음극재에 소량의 실리콘을 추가해서 사용하고 있으며, 궁극적으로는 100% 퓨어 실리콘을 개발하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있음.
• 실리콘의 가장 큰 단점 중 하나는 팽창률임. 좁은 공간에 여러 개의 리튬이온을 저장하는 형태이다 보니 배터리 충전 시 실리콘은 4개 가량 팽창함. 흑연은 보통 10% 정도 팽창함. 따라서 높은 에너지 밀도라는 장점이 퇴색되는 부분이 있음.
• 또한, 팽창과 수축이 반복되면서 기존에 형성된 SEI층에 균열이 생기면서 화재에 대한 위험성도 존재함.
• 이러한 문제로 현재 포르쉐 타이칸과 아우디 E-트론 GT 등 고급 전기차에만 탑재되어 있으며, 실리콘 함량은 약 5~8%wt 수준임. 현재 개발 속도 감안 시, 2026년에는 12wt%, 2032년 20wt% 수준 기대됨.
• 타이칸에 적용되는 실리콘 옥사이드 음극재는 대주전자재료에서 생산하고 있고, 테슬라에도 공급할 수 있다는 소문으로 최근 주가가 급증한 상태임.
• 실리콘의 팽창을 방지하기 위해 실리콘은 나노화하여 함량을 높이는 방안이 연구되고 있으며, CNT(탄소나노튜브)나 그래핀으로 실리콘을 감싸는 방법도 개발되고 있음.

3. 리튬메탈 음극재

리튬메탈 배터리 비교 (출처: MIT)

• 리튬메탈 음극재는 집전체(구리박)에 얇은 박막 형태로 리튬금속을 사용함. 리튬금속의 이론용량은 3,860mAh/g으로 흑연보다 약 10배 높고, 리튬금속 자체로 무게가 가벼워 에너지 밀도를 획기적으로 늘릴 수 있음. 리튬메탈 음극재는 전고체, 리튬황 등 대부분의 차세대 배터리의 음극재로 채택되고 있음.
• 리튬메탈 음극재도 아직까지 상용화에 이르진 못한 상황임. 리튬메탈은 음극 표면 전체에서 화학적 반응이 일어나기 때문에 충방전이 빠르고 저장 공간도 많지만 흑연처럼 리튬이온을 저장할 '집'이 없어 리튬이온이 균일하게 저장되지 못함. 이로 인하여 나뭇가지 모양의 덴드라이트가 형성되면서 단락의 위험성이 높음.
• 많은 기업 및 연구기관들은 리튬메탈 표면에서 균일하게 리튬이온이 반응할 수 있도록 하는 코팅 기술과 전해액 믹싱 조합을 개발하고 있으며, 리튬이온을 안정적으로 저장할 공간 '쉘'을 개발하는 방안도 같이 연구되고 있음.
• 현재 리튬메탈 배터리로 가장 유명한 기업은 미국의 SES AI으로, 현대차, SK, LG로부터 투자를 받기도 함. SES AI는 현대차를 포함한 다수의 전기차 제조사들과 JDA를 체결하고 전기차용 배터리를 테스트하고 있고, 올해 샘플B 테스트를 시작함. 전기차용으로 개발 중이기 때문에 배터리 셀 용량도 100Ah에 달함.

4. 왜 실리콘 음극재보다는 리튬메탈 음극재인지

• 실리콘은 소량이긴 하지만 이미 전기차용 배터리에 사용되며 상용화 단계에 이르고 있음. 하지만 앞서 설명한 바와 같이 전고체 배터리, 리튬황 배터리 등 차세대 배터리 개발에서 리튬메탈 음극재를 사용하고 있음.
• 먼저 리튬이온이 삽입되었을 때, 300%까지 팽창하는 실리콘의 물리적 구조는 바꿀 수 없고, 주변을 다른 물질로 감싸더라도 한계는 분명함. 이 단점이 완전히 해결되기 어렵다고 판단되어 높은 이론용량을 가졌지만 응용에서 불리함.
• 리튬메탈은 리튬금속 자체가 반응에 직접 사용되어 구조가 단순하고, 낮은 전위로 전압 효율도 높음. 또한 리튬메탈은 고체 전해질과 호환성이 좋고, 가장 큰 단점인 덴드라이트의 경우 고체 전해질 환경에서 억제하기 쉽기 때문에 안전성 측면에서 유리해짐.

5. 무음극 음극재

• 음극재의 부피를 최대한 줄이려는 연구가 지속되고 있고, 리튬메탈보다도 더 얇은 무음극 음극재도 개발되고 있음. 무음극 배터리의 음극에는 별도의 음극 활물질이 없이 집전체만 존재하고 집전체에 리튬이온이 저장되는 구조임. 따라서 음극의 최종 단계라고 볼 수 있지만, 리튬이온을 안정적으로 증착 및 탈착시킬 수 있는 기술은 아직 먼 얘기라고 볼 수 있음.