실리콘 음극재 장점 - sillikon eumgeugjae jangjeom

양극을 집, 음극을 식당, 손님을 리튬이온이라고 가정할 경우, 손님(리튬이온)이 집(양극)에서 나와 식당(음극)에 들어가는 것이 충전이고, 식사를 마친 손님이 식당을 나와 집으로 돌아가는 것은 방전입니다. 

그런데 만약 식당에 자리가 없다면 어떨까요? 외부 테라스까지 자리를 겨우 마련했는데 차들이 많이 다니는 도로와 가깝다면 어떻게 될까요? 손님은 식당 안에 들어가지 못해 식당 매출을 더 올릴 수 없고, 외부 테라스도 위험한 상황에 놓이게 됩니다.

이렇게 리튬이온이 들어갈 자리가 부족하거나, 안전한 공간이 없다면 계획했던 양극의 용량과 출력 성능을 확보할 수 없습니다. 하지만 반대로, 음극을 잘 설계하면 양극과 마찬가지로 배터리 용량도 커지고 수명을 보다 오래도록 유지할 수 있습니다.

배터리 수명? 용량? 음극도 중요 

배터리 수명에 가장 중요한 역할을 하는 것이 음극입니다. 현재 음극 소재로 많이 사용하고 있는 것은 흑연(Graphite)입니다. 흑연은 아주 규칙적인 구조로 되어 있고 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조로, 충전 시, 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가면서 리튬이온이 들어간 흑연은 조금 팽창합니다.

리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용할 수 있지만 오래 사용하다 보면 처음 구입했을 때 보다 사용 시간이 점점 줄어들게 되는데요. 리튬이온이 들어가는 음극이 시간이 지날수록 열화가 되어 구조가 무너지기 때문입니다. 아무리 튼튼한 제품이라도 오래 사용하다 보면 낡고, 고장이 나듯 배터리도 수명이 조금씩 줄어들게 됩니다. 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성에 문제가 있는 건 아니며 그 만큼 사용시간이 줄어들게 되는 것입니다. 

음극의 부피 변화는 용량에도 영향을 미치는데요. 제품을 설계할 때에는 배터리 내부에서 발생할 구조적인 변화를 어느 정도 반영하여 설계합니다. 팽창을 많이 하는 소재를 사용하게 되면, 부피 변화를 미리 예상해 공간을 많이 만들지 못하기 때문에 상대적으로 용량이 줄어들게 됩니다. 반면, 부피가 덜 팽창하는 소재를 사용하면 많은 공간을 만들 수 있어 높은 용량을 가질 수 있게 됩니다. 

차세대 음극 소재 실리콘(Si) 

음극 소재로는 흑연이 가장 많이 사용되고 있고, 흑연의 뒤를 이을 소재로 손꼽히는 것이 바로 실리콘(Si)입니다. 실리콘은 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 빠릅니다.

하지만 실리콘도 보완해야 할 점이 있는데요. 바로 팽창입니다. 리튬이온이 들어갔을 때 흑연은 10% 수준의 팽창이 발생하지만, 실리콘은 약 400% 정도 팽창합니다. 실리콘이 흑연에 비해 에너지 밀도가 10배 정도 크지만 불안정한 구조를 안정화 시키는 것이 당면한 과제인 셈이죠. 현재 배터리 업계에서는 실리콘의 구조를 안정화 시키는 방향의 연구 개발을 진행하고 있습니다.  

삼성SDI, 독자적인 Si 음극 소재로 초격차 배터리 개발

차세대 음극 소재로 실리콘이 주목받고 있기에 실리콘의 팽창을 개선하는 것이 배터리업계의 큰 숙제인데요. 삼성SDI는 독자 특허를 보유한 실리콘 음극 소재인 ‘SCN(Si-Carbon-Nanocomposite)’을 개발해 상용화 했습니다. SCN은 실리콘을 머리카락 두께 수 천분의 1 크기로 ‘나노화’ 한 후, 이를 흑연과 혼합해 하나의 물질처럼 ‘복합화’ 한 소재입니다. 실리콘과 흑연을 혼합해 서로의 장점을 살리는 방안을 고안해 낸 것입니다.

구조가 안정적인 흑연에 에너지 밀도 특성이 우수한 실리콘을 매우 작은 사이즈로 넣어 복합화 했기 때문에 안정적인 구조를 가지면서도 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다. 

전자제품의 코드리스화에 따라 배터리를 오래 사용하고 싶은 소비자들의 마음은 더욱 강해지고 있습니다. 하이니켈 양극과 실리콘 음극을 더한다면 용량 특성 개선으로 1회 사용시간을 늘리고, 장수명, 급속충전 특성까지 갖출 수 있게 될 것입니다. 삼성SDI가 만들어 가고 있는 배터리의 초격차 기술들을 앞으로도 주목해 주세요.

KERI 전기재료연구본부 소속의 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 개발한 이 기술은, 친환경 전기차 및 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완하면서, 저렴한 가격으로 국내 중소·중견 업체들도 쉽게 접근 가능한 획기적인 복합 음극재 제조기술이다.

리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있지만, 충·방전 시 부피 팽창(3배 수준) 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 또한 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 점도 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

이에 KERI가 주목한 소재는 ‘그래핀’이었다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 매우 우수하고, 전기 화학적으로도 안정하여 실리콘을 전해질로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 그래핀 코팅층은 우수한 기계적 강도를 지닌 그물망 구조이기 때문에 실리콘의 부피 팽창에 따른 성능 감소를 억제할 수 있다. 이러한 원리를 기반으로 KERI는 실리콘과 그래핀의 복합화를 통해 이상적인 리튬이온전지용 고용량 음극재 제조기술을 개발했다.

10년 이상 그래핀 연구에 매진해 온 연구팀은 KERI만의 특화된 산화·환원 공정을 기반으로 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 ‘산화·환원 그래핀(GO, rGO)’을 제조할 수 있는 기술을 개발했고, 이를 효과적으로 분산하여 다른 물질과의 결합을 용이하게 할 수 있는 고농도 페이스트 형태의 ‘그래핀 수계 분산 기술’까지 개발했다.

또한 한 단계 더 나아가 기존 리튬이차전지용 활물질 제조공정과 접목시켜 상용화까지 이어질 수 있는 대량제조 공정기술도 확보했다. 이를 통해 기존 리튬이차전지 음극에 들어갔던 실리콘의 양(첨가량)을 기존 5% 이내 수준에서 20%까지 증가시켜 고용량·고품질의 음극을 안정적으로 제조할 수 있는 결과를 얻었다.

무엇보다 이번 기술의 최대 강점은 중소·중견 기업들도 쉽게 접근할 수 있을 정도의 뛰어난 가격경쟁력이다. 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용했으며, 여기에 오랜 연구 노하우가 집적된 KERI만의 고결정성 그래핀 분산기술을 적용해 코어-쉘(Core-Shell) 구조(코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 구조)의 복합 음극재를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 이후 연구팀은 실리콘·그래핀 복합 음극재를 기반으로 한 시작품인 ‘파우치형 풀 셀(Full Cell)’을 제작하고, 전기화학적 특성 검사까지 마무리했으며, 기술에 대한 국내·외 원천특허 등록까지 완료했다.

해당 성과는 높은 기술력을 인정받아 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS(대표 남동진)에 최근 11억원에 기술이전됐다. KERI 연구팀은 이번 기술이전을 통한 상용화로 월간 톤(t) 단위 이상의 실리콘·그래핀 복합체 분말을 제조할 수 있을 것으로 보고 있다. 에너지 밀도로 환산하면 스마트폰용 배터리 약 3만6000대 분량 및 600MWh 용량의 전기차용 배터리를 생산할 수 있는 규모다.

과제책임자인 이건웅 박사는 “실리콘·그래핀 복합 음극재 기술은 친환경 전기차, 에너지저장시스템(ESS), 방위산업, 우주·항공 등 다양한 분야에서 활용되는 고용량 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라면서 “특히 전기차에 적용할 경우 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

향후 KERI는 리튬이차전지용 음극재 분야에서의 기술우위 확보를 위해 세계 최고 수준의 고품질 실리콘·그래핀 복합 음극재 소재 연구 역량을 확보하고, 개발 소재에 대한 생산 공정화 및 양산화 기술을 확보하여 사업화 및 상용화까지 지원한다는 계획이다.

한편 시장조사 기업 SNE 리서치에 따르면 전 세계 리튬이차전지용 음극 활물질 수요량은 2025년까지 136만톤으로 연평균 39% 성장할 것으로 보고하고 있으며, 그중 실리콘 음극재는 11%를 점유하며 연평균 70% 이상 급격하게 성장할 것으로 보고 있다. 또한 리튬이차전지 음극재 세계시장 규모는 연평균 30%의 성장률을 기록하며 2023년에는 54억달러까지 성장할 것으로 예상된다.

엠케이전자가 차세대 이차전지 소재로 각광받는 실리콘 음극재 시장 진출에 속도를 낸다. 기존 실리콘 음극재의 단점을 보완할 핵심 기술을 개발해 테스트를 진행 중이다. 이르면 내년 양산화를 위한 본격적인 투자에 나설 계획이다. 

이진 엠케이전자 대표는 최근 《디일렉》과의 인터뷰에서 올해 사업계획 및 경영전략에 대해 이같이 밝혔다.

엠케이전자는 2차전지 분야의 핵심 재료인 고용량 실리콘(Si) 음극활물질(음극재)을 신규 사업으로 낙점하고 관련 기술을 개발해왔다. 음극재는 이차전지 충전 때 양극에서 나오는 리튬이온을 저장 및 방출해 전기를 발생시키는 물질이다. 기존 음극재 소재로는 흑연이 주로 활용됐으나, 최근에는 흑연에 실리콘을 혼합한 방식의 음극재에 대한 수요가 빠르게 증가하는 추세다. 실리콘이 원자 1개당 저장할 수 있는 리튬이온의 수가 흑연 대비 4배 이상 높아 배터리의 에너지 밀도를 크게 증가시킬 수 있다.

실리콘 음극재는 세부 소재에 따라 산화규소(SiO×)계, 질화규소(SiN×)계, 탄화규소(SiC)계 등으로 나뉜다. 이 중 엠케이전자는 SiC와 실리콘 합금(Si-Alloy) 소재를 개발하고 있다. Si-Alloy는 산화규소계 대비 전기전도도가 높고, 제조공정이 단순해 생산단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 다만 Si-Alloy는 흑연 및 다른 실리콘 음극재 대비 유지율(수명)이 짧아, 시장에서 상용화가 가장 늦게 진행되고 있는 소재다.

이에 엠케이전자는 음극재 내 실리콘의 햠량을 늘려 에너지 밀도를 높이면서도 수명을 낮추지 않는 코팅 기술을 구현해냈다. 해당 기술은 연구실 단계에서 이미 검증을 마쳤으며, 현재 국내 고객사 및 연구기관과 협력해 테스트를 진행하고 있는 것으로 알려졌다. 엠케이전자는 올해 테스트를 완료하고 내년에는 양산을 위한 투자를 준비하는 것을 목표로 하고 있다.

이진 엠케이전자 대표는 "실리콘 음극재가 아직 시장에 출시되지 못한 이유는 성능 검증이 끝나지 않아 지속적인 개발과 투자가 필요하기 때문"이라며 "그러나 실리콘 음극재의 단점을 보완할 핵심 기술을 개발하고 있고, 좋은 결과가 나오고 있어 내년에는 양산을 위한 투자를 검토할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

또한, 엠케이전자는 주력 사업인 본딩와이어의 생산능력 강화에 나선다. 본딩와이어는 반도체 패키징 공정에 쓰이는 미세 금속선으로, 반도체 리드 프레임과 실리콘 칩을 연결해 전기적 신호를 전달하는 역할을 담당한다. 지난해 기준 엠케이전자의 연간 매출액에서 본딩와이어 사업이 차지하는 비중은 91.27%에 이른다.

현재 엠케이전자의 본딩와이어 생산능력은 연 600만km 수준이다. 생산거점은 국내 음성군과 중국 쿤산시에 위치해있다. 엠케이전자는 이들 공장에 설비 투자를 진행해, 오는 2025년까지 생산능력을 1000만km 이상으로 늘릴 계획이다. 동시에 솔더페이스트, 전자파 차폐(EMI)용 필름 등 신규 사업에 대한 개발도 지속할 예정이다.