이차전지의 핵심요소인 양극재와 음극재. 이들은 최근 화학·배터리 업계에서 화두이자 사업확장의 주역으로 꼽힙니다. 양극재를 납품하거나 음극재를 개발한다는 소식 하나만으로 기업의 주가가 상승한다는 건 그만큼 이들 소재가 미래의 성장동력이라는 방증이겠죠.
뉴스를 읽고 투자하는 것도 중요하지만, 우선 양극재와 음극재가 어떤 개념이고 또 어떤 기술로 이어질 수 있는지 아는 것이 필요합니다. 그래야 그 가치를 제대로 파악할 수 있기 때문이죠. 오늘은 이차전지를 이루는 구성 요소에 대해 알아보겠습니다. 삼성SDI 뉴스룸을 참고했어요.
양극재 개발 절실한 이유…원가의 40% 이상 차지
먼저 ‘이차전지’에 대해서 살펴볼게요. 이차전지는 리튬이온이 양극(+)과 음극(-) 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 원리로 작동해서 ‘리튬이온 배터리’라고 불리기도 해요. 충전을 통해 여러 차례 재사용이 가능하다는 것이 특징이에요. 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 충전해 반영구적으로 사용할 수 있어서 전기차를 비롯해 친환경 모빌리티와 IT기기 등 다양한 생활가전의 에너지원으로 쓰여요.
이러한 이차전지를 이루는 4대 요소가 양극재·음극재·전해액·분리막이구요. 이 중 ‘양극재’와 ‘음극재’는 배터리의 용량·수명·충전 속도를 결정하는 가장 핵심적인 소재입니다. 양극재는 배터리의 용량과 평균 전압을, 음극재는 충전속도와 수명을 결정해요.
배터리의 특성을 이야기할 때 가장 먼저 언급되는 것 중의 하나가 바로 용량과 출력인데, 이 특성을 결정하는 주 소재가 바로 양극재입니다. 얇은 알루미늄 기재와 활물질·도전재·바인더로 구성됩니다.
앞서 말했듯 이차전지는 리튬의 화학적 반응으로 전기를 생산하는 배터리죠. 그래서 당연히 리튬이 들어가게 되는데 그 공간이 바로 양극입니다. 하지만 리튬은 원소 상태에선 반응이 불안정해 리튬에 산소를 더한 ‘리튬산화물’을 양극에 사용합니다. 리튬산화물처럼 양극에서 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 불러요.
이 활물질에 소량의 도전재를 넣어 전도성을 높이고 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 돕는 것을 ‘합제’라고 하는데, 이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어져요.
여기서 포인트는 어떤 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다는 거예요. 리튬을 많이 포함했다면 배터리의 용량이 커지게 되고, 음극과 양극의 전위차가 크면 전압이 커집니다.
또 양극재는 배터리 원가의 40% 이상을 차지하기 때문에 성능 외에도 시장 진입을 위해 원가 절감을 위한 혁신이 필요한 부분이죠.
트렌드는 ‘실리콘’ 음극재…과제는 팽창 조절
배터리 수명에 가장 중요한 역할을 하는 것은 음극이에요. 음극을 잘 설계하면 양극과 마찬가지로 배터리 용량도 커지고 수명을 보다 오래 유지할 수 있어요.
음극 역시 양극처럼 음극 기재에 활물질이 입혀진 형태로 이루어져 있습니다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 가역적으로 흡수-방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 임무를 수행합니다.
현재 음극 소재로 많이 사용하고 있는 것은 ‘흑연’인데요. 흑연은 아주 규칙적인 구조로 되어 있어요. 탄소가 결합 된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조에요. 그래서 충전 시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가면서 흑연은 조금 팽창합니다.
이차전지를 오래 사용하다 보면 사용시간이 점차 줄어드는 이유도 이것과 관련이 있어요. 리튬이온이 들어가는 음극이 시간이 지날수록 열화가 되어 구조가 무너지기 때문입니다. 아무리 튼튼한 제품이라도 오래 사용하다 보면 낡고 고장이 나듯 배터리도 수명이 조금씩 줄어들게 되는 거죠.
그래서 흑연의 뒤를 이을 소재로 떠오른 것이 바로 ‘실리콘’입니다. 실리콘은 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 빠르거든요. 다만 실리콘도 보완해야 할 점이 있는데, 바로 팽창입니다. 리튬이온이 들어갔을 때 흑연은 10% 수준의 팽창이 발생하지만 실리콘은 약 400% 정도 늘어나요.
때문에 현재 배터리 업계에선 이 실리콘의 구조를 안정화 시키는 방향의 연구 개발이 한창 진행 중이에요. 개발의 핵심은 음극재의 실리콘 함량을 높이면서도 팽창 현상을 최소화하는 것이죠. 실리콘 함량을 높인 음극재를 활용할 경우 전기차 주행거리 증가와 배터리 충전 속도 개선을 기대할 수 있을 것으로 업계는 보고 있어요.
삼성SDI는 자체 개발한 실리콘탄소복합체(SCN) 기술을 바탕으로 10% 이상 실리콘 함량을 늘리는 데 주력하고 있어요. SCN은 실리콘을 머리카락 수천분의 1 크기로 나노화해 흑연과 하나의 물질처럼 복합화한 신소재 음극재 기술인데, 이를 통해 올해 실리콘 용량 극대화를 목표로 한다는 게 회사 측 설명이에요.
SK온은 올해 상반기 출시 예정인 미국 포드 전기차(F-150 라이트닝)에 실리콘 7%를 첨가한 음극재를 적용하며 본격적인 기술 개발을 예고했고요, LG에너지솔루션은 실리콘 함량을 최대 10%까지 늘린 음극재 개발에 나선 상황이에요.
미래 핵심 산업의 쌀알로 주목받는 양극재와 음극재, 올해 K배터리 업계의 약진이 더욱 기대되지 않나요.
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