음극재 고도화, 천연흑연 → 인조흑연 → 실리콘… 업계 투자활발
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음극재 고도화, 천연흑연 → 인조흑연 → 실리콘… 업계 투자활발
  • 박준환 기자
  • 승인 2023.05.08 13:51
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이차전지 음극재가 고도화하고있다. 천연흑연에서 인조흑연으로 발전했고 이제는 실리콘 음극재로 바뀌고 있는 추세다. 포스코그룹, SK머티리얼즈, 한솔케미칼,대주전자재료 등이 수요증가에 대응해 투자에 나서고 있다. 실리콘 음극재는 용량이 천연흑연이나 인조흑연의 최대 10배에 이르러 주행거리를 크게 늘리는 차세대 음극재로 각광을 받고 있다.

실리콘 음극재는 흑연계 음극재에 비해 10배 높은 용량으로 주행거리 향상과 급속충전 설계가 쉽다. 사진은  음극재 소재에 따른 배터리 특성. 사진=포스코그룹
실리콘 음극재는 흑연계 음극재에 비해 10배 높은 용량으로 주행거리 향상과 급속충전 설계가 쉽다. 사진은  음극재 소재에 따른 배터리 특성. 사진=포스코그룹

8일 관련업계에 따르면, 이차전지의 차세대 음극재 원자재로는 실리콘이 꼽히고 있다.

실리콘 음극재는 기존 흑연계 음극재보다 에너지밀도가 약 10배 높아 전기차의 주행 거리는 늘리고, 급속 충전 설계가 쉬워 충전 속도를 단축할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 실리콘은 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 경제 소재이다.  이 같은 장점에도 실리콘 음극재는 배터리 충전 시 4배가량 팽창하는 문제와 팽창한 음극이 방전할 때 이전과 같은 형태로 돌아오지 않는다는 위험성이 있다. 배터리 업계는 실리콘 구조 안정화를 위한 연구 개발을 하고 있으며, 배터리의 부피 팽창 부작용을 어떻게 빨리 개선하느냐가 시장 주도권을 확보할 수 있는 포인트가 될 것이라 보고 있다.

이차전지용 실리콘 음극재는 탄화규소계(Si-C)와 산화물계(SiOx)로 나뉜다. 탄화규소계 실리콘 음극재는 가격과 충·방전 효율에 강점이 있고, 산화물계 실리콘 음극재는 초기 용량이나 유지율이 뛰어나다는 평가를 받는다.

시장조사업체 SNE리서치에 따르면, 지난해 기준 4억 달러(약 5300억 원) 수준인 실리콘 음극재 수요가 2030년 54억 달러(약 7조2000억원)까지 늘어날 것이란 전망이 나와 있어 국내 업계는 실리콘음극재 사업에 속속 뛰어들거나 공장 증설에 나서고 있다.

SK머티리얼즈는 미국 배터리 소재기업 그룹14테크놀로지스와 합작해 SK머티리얼즈그룹14를 설립해 경북 상주시의 공장에서 올해 3분기부터 탄화규소계 실리콘 음극재 생산에 들어갈 예정이다. 생산 능력도 올해 연산 2000t에서 2025년 1만t까지 확대한다. 

SKC도 탄화규소계 실리콘 음극재 기술을 보유한 영국 넥시온(Nexeon)에 950억 원을 투자해 지분을 확보하고, 양산을 추진하고 있다.

한솔케미칼은 탄화규소계 실리콘 음극재 생산에 나섰다. 고용량 장수명 등 고성능 실리콘 음극재 기술을 보유한 한솔케미칼은 전북 익산시에 연산 750t 규모의 실리콘 음극재 공장을 짓고 1분기에 가동을 시작했다.한솔케미칼은 삼성SDI에 실리콘 음극재 공급을 추진할 전망이다. 

산화물계 실리콘 음극재를 양산하고 있는  대주전자재료는 생산능력을 기존 연간 2000t 수준에서 2024년 1만t, 2025년 2만t까지 늘리기 위해 공장을 신·증설하고 있다.대주전자재료는 지난해 말 총 2045억 원을 투자해 새만금 국가산업단지에 '이차전지 음극재 제조시설'을 건립한다고 밝혔다.대주전자재료는 IT제품 소재 생산기업에서 2차전지 소재 기업으로 탈바꿈을 가속하고 있다. 지난해 실리콘 음극재 관련 매출액은 265억 원. 전체 매출에서 실리콘 음극재가 차지하는 비중은 20% 정도이다. 대주전자재료는 고객사 요구에 따라 맞춤형 소재(용량 1400~1500mAh/g, 1320~1430mAh/g, 1285~1350mAh/g)를 공급하고 있다. 

포스코그룹은 탄화규소계와 산화물계 실리콘 음극재 사업을 동시에 추진해 시장 선점을 노리고 있다.  포스코실리콘솔루션(옛 테라테크노스)은 591억 원을 투자해 포항 영일만산단에 산화물계 실리콘 음극재 450t을 생산할 수 있는 공장을 짓기로 했다.2025년 5000t 생산설비 확보 등 4단계 확장 투자를 통해 2030년에는 연산 2만5000t의 생산체제를 갖춘다는 게 목표다. 

포스코퓨처엠은 포항에 탄화규소계 실리콘 음극재를 연간 50t을 생산할 수 있는 시험 설비를 세우고 있다.

국내에서 유일하게 흑연 음극재를 양산하는 포스코퓨처엠은 포항에 연산 8000t 규모의 인조흑연 음극재 1단계 공장을 운영 중이고, 올해 2단계 공장이 첫 삽을 떴다. 2024년 하반기에 인조흑연 음극재 공장 2단계 공장이 완성되면 연간 1만8000t 규모의 생산체제를 갖춘다. 전기차 약 47만 대에 공급할 수 있는 양이다.

포스코퓨처엠 직원이 인조흑연 음극재 공장에서 인조흑연을 옮기고 있다. 사진=포스코퓨처엠
포스코퓨처엠 직원이 인조흑연 음극재 공장에서 인조흑연을 옮기고 있다. 사진=포스코퓨처엠

LG화학은 100% 실리콘으로 구성된 음극재를 뜻하는 '퓨어 실리콘(Pure Silicon)' 기술을 개발하고 있다. 현재 실리콘이 5% 들어간 음극재가 쓰이는 점을 고려하면 2차전지 용량을 크게 늘릴 수 있을 전망이다.

 이녹스는 자회사 이녹스에코엠의 투자를 위한 330억 원 유상 증자에 나선다. 이녹스에코엠은 실리콘 음극재 핵심 원료 2종(SiOx, Si-C) 생산 기술 보유하고 있는 기업이다.

박준환 기자  naulboo@gmail.com

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