이차전지 음극 고용량화 및 저가화 기술 동향
<목차>
0. 요약
1. 이차전지 음극재의 종류와 개요
2. 이차전지산업의 시장 동향
3. 이차전지 음극재 고용량화 기술 동향
4. 이차전지 음극재의 저가화 기술 동향
5. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
이차전지 시장은 전 세계적 전기자 동차 시장의 확대에 따라 2030년까지 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 성장하 는 전기자 동차 시장에 대응하기 위해서는 1회 충전당 주행거리를 늘릴 수 있는 이차전지의 고에너지밀도화 기술과 충전 시간 단축을 위해 급속 충전이 가능한 이차전지 기술 개발이 필요하다. 고에너지밀도 구현을 위해 하이니켈 양극 소재 개발 및 실리콘 음극 소재 적용 등이 핵심 기술로 부각되고 있다. 그러나 하이니켈 양극 소재의 경우 기술 성숙도가 비교적 높아 안정적으로 전지에 적용되고 있어 향후 양극 성능 개선을 통한 에너지밀도 상승은 한계점에 도달했다. 향후 추가적인 에너지밀도 상승을 위해서는 음극에서의 실리콘 소재 적용량 증가가 필요한 상황이다. 음극 내 실리콘 함량의 증가는 고에너지밀도 구현뿐 아니라 음극판 두께를 감소시킬 수 있으며, 이로써 전극 내 리튬이온의 전달 현상을 개선하고 전지의 급속 충전 성능을 향상시킬 수 있다. 음극 내 실리콘 활용 증대를 위해서는 실리콘 활용에 따른 다양한 문제를 해결할 수 있는 기술 개발뿐 아니라 소재 가격의 경쟁력 확보도 중요한 이슈이다. 이에 대한 해결책으로 국내 대형 산업인 반도체와 태양광산업에서 대규모로 배출되는 실리콘 슬러지를 활용한 이차전지 실리콘 소재 제조 방안이 실리콘 음극재의 가격 경쟁력 확보 방안으로 대두되고 있다. 실리콘 슬러지의 업사이클링 기술 개발은 경제적 측면뿐 아니라 환경적인 측면에서도 큰 이점이 있다.
1. 이차전지 음극재의 종류와 개요
이차전지의 4대 핵심 소재는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성된다(그림 1). 본고에서는 이차전지의 용량, 수명, 충전 속도 등에 큰 영향을 미치는 음극 관련 기술 동향(고용량화 및 저가화)에 대해서 다루고자 한다.
현재 이차전지에 활용되거나 향후 차세대 이차전지에 활용될 가능성이 있는 상용화된 음극재의 종류와 특성은 아래와 같다.
- 흑연(탄소계) 음극재: 현재 상용화된 리튬이온전지에 가장 널리 활용되는 음극재로 충ㆍ방전 시 리튬이온이 흑연층 사이로 삽입되고 탈리된다.
- 장점: 높은 전기전도도, 안정적인 수명, 상대적으로 저렴한 가격
- 단점: 낮은 에너지밀도
- 실리콘 음극재: 실리콘은 흑연보다 훨씬 많은 리튬이온을 저장할 수 있어 이론적으로 매우 높은 에너지밀도를 가질 수 있는 음극재이다. 따라서 실리콘 음극재는 이차전지의 용량을 대폭 늘릴 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 현재 차세대 음극재로 가장 유망한 소재이다.
- 장점: 높은 에너지밀도, 매우 풍부한 부존량, 상대적으로 낮은 충전 전압
- 단점: 충ㆍ방전 시 큰 부피 변화로 인한 음극재의 박리 및 수명 저하 문제
- 합금계 음극재: 합금계 음극재는 충전 시 리튬과 쉽게 합금을 형성하는 금속(주로 주석, 알루미늄, 비스무스 등)으로 구성된다. 실리콘과 유사하게 높은 에너지밀도를 제공할 수 있지만, 충ㆍ방전 시 큰 부피 변화 문제가 발생한다.
- 장점: 높은 에너지밀도 및 다양한 조합을 통한 성능 최적화 가능
- 단점: 충ㆍ방전시 큰 부피 변화로 인한 음극재의 박리 및 수명 저하 문제
- 리튬 금속 음극재: 리튬 자체를 음극으로 사용하는 방식으로 이론상 가장 높은 에너지밀도를 제공하지만, 충전 시 발생하는 리튬 덴드라이트 형성 문제 등이 상용화에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
- 장점: 매우 높은 에너지밀도
- 단점: 안전성 문제(덴드라이트 형성으로 인한 단락 및 화재 위험), 수명 저하 문제
- 탄소–실리콘 복합음극재: 실리콘과 흑연을 복합화한 음극재로, 실리콘의 높은 용량과 흑연의 안정성을 결합하여 성능을 향상시킨 음극재이다. 현재 전지 회사에서는 최고 사양의 제품에 적용되는 것으로 알려져 있다.
- 장점: 흑연보다 높은 에너지밀도, 실리콘의 부피 변화 문제 일부 완화
- 단점: 복합화에 따른 비용 증가 및 제조 공정의 복잡성
국내 이차전지 3社를 비롯한 해외 이차전지 기업들은 흑연을 대체할 현실적인 차세대 이차전지 음극재로 흑연–실리콘 복합음극재 연구에 박차를 가하고 있다. 따라서 본고에서는 복합음극재 내 실리콘 함량 증가를 통한 음극 고용량화 기술 동향, 그리고 반도체와 태양전지 제조 공정에서 발생하는 실리콘 슬러지에서 실리콘 원료 회수를 통한 음극 저가화 기술 동향에 대해 주로 다루고자 한다.
2. 이차전지산업의 시장 동향
- 이차전지산업의 동향
- 이차전지는 동력원(전자기기, 전기차 등)이자 저장원으로서 전동화ㆍ무선화ㆍ저탄소화의 필수 기술로 급부상하고 있다.
- 우리나라 는 핵심 광물·자 원 열세에도 불구하고, 우수한 기술력에 기반하여 리튬이온전지 산업 강국으로 중국, 일본과 함께 세계 시장을 주도하고 있다.
- 전기차, 에너지 저장장치, 전자기기 등으로 대표되는 사물배터리 시대에 지속 성장할 것으로 예상되는 이차전지 시장은 우리나라 산업 경쟁력 강화에 매우 중요하다.
- 이차전지 시장이 빠르게 성장함에 따라 미국, 유럽 등 수요 지역의 생산력 확장 경쟁과 함께 고성능 또는 저가격 경쟁이 치열하게 전개된다.
- 리튬이온전지 기술에서도 점차 개선의 물리적 한계에 가까워지고 있으며, 기존 소재에서 벗어난 새로운 접근으로 성능한계를 극복하는 차세대 이차전지 기술의 중요성이 부상하고 있다.
- 저가 시장 경쟁력 강화(중국), 전고체 시장 조기 선점(한국, 일본), 스타트업•자동차 OEM 중심의 시장 구도 개편(미국, EU) 등 처한 환경과 강점에 기반하여 차세대이차전지 시장의 선점을 위한 연구개발 및 시제품 검증단계에 돌입하고 있다.
- 이차전지의 시장 전망
- 리튬이온전지 기반 이차전지 시장은 2022년 281억 달러에서 2027년에는 782억 달러의 규모를 형성할 것으로 전망된다.
- 세계 리튬이온전지 기반 이차전지 시장의 2022~2027년 연평균성장률(CAGR)은 22.7%로 2027년에는 782억 달러, 2030년에는 1,452억 달러까지 성장할 것으로 전망된다.
- 이차전지 실리콘 음극재의 세계 시장 전망
- 이차전지 실리콘 음극활물질 시장은 2022년에 30억 달러에서 2027년에는 73억 달러의 규모를 형성할 것으로 전망된다.
- 세계 이차전지 실리콘 음극 활물질 시장의 2022~2027년도 연평균성장률은 19.6%로 전망되며, 연평균성장률을 기반으로 2027년에는 73억 달러, 2030년에는 86억 달러로 시장 규모가 확대될 것으로 전망된다.
- 이차전지 실리콘 음극재의 국내 시장 전망
- 국내 이차전지 실리콘의 음극 활물질 시장은 2022년에 866억 원에서 2027년에는 1,187억 원의 규모로 형성될 것으로 전망된다.
- 국내 이차전지 실리콘의 음극 활물질 시장의 2022~2027년도 연평균성장률은 6.5%로 연평균성장률을 기반으로 2027년에는 1,187억 원, 2030년에는 1,438억 원으로 시장 규모가 확대될 것으로 전망된다.
3. 이차전지 음극재 고용량화 기술 동향
- 최근 현황 및 필요성
- 최근 전기차 시장의 성장에 힘입어 전기차용 이차전지가 이차전지 시장과 기술 개발을 주도하는 상황이다. 내연기관 자동차와 동등한 수준의 주행거리 확보를 위해 에너지밀도가 높은 고성능 소재에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나, 파괴적인 기술의 부재로 인해 기술 개발의 한계에 다다른 상황이다.
- 현재 상용화된 리튬이온전지의 에너지밀도는 280~300Wh/kg(부피당 650~700Wh/L) 수준으로 향후 리튬이온전지가 구현 가능한 최대치인 350Wh/g(~800 Wh/L)을 달성하기 위해 전 세계가 활발히 연구개발 진행 중이다.
- 전기자동차 사용자의 충전 편의성이라는 주요한 요구 사항을 해결하기 위해 기존 리튬이온전지의 충전 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 급속 충전 전지 기술에 대한 필요성이 급격히 증대되고 있다.
- 전기차 주행거리는 이차전지 에너지밀도의 지속적인 향상으로 점차 증가하고 있으나 한계에 다다르고 있으며, 상충 관계에 있는 충전 시간도 새로운 문제점으로 대두되고 있다.
- 대부분 전기차에 약 250~280Wh/kg의 이차전지가 적용되고 있으며, 이때의 전기차 충전 시간은 약 20~30분 수준이다. 따라서 전기차 보급에서 문제점으로 제시되는 충전 시간에 대해 고속 충전에도 안정적인 고에너지 이차전지 및 급속 충전 기반 기술의 개발이 시급하다.
- 고에너지밀도화의 문제점
- 현재 고에너지밀도 구현을 위해 하이니켈 양극 소재, 실리콘 음극 소재의 첨가, 고로딩-고밀도 전극 기술 등이 핵심 기술로 적용되고 있다.
- 하이니켈 양극 소재의 경우 기술 성숙도가 비교적 높아 안정적으로 전지에 적용되어 현재까지의 고에너지밀도화에 큰 기여를 하고 있다. 하지만 양극 성능 개선을 통한 에너지밀도 상승은 한계점에 도달하였으며, 향후 추가적인 에너지밀도 상승을 위해서는 음극에서의 실리콘 소재 적용량 증가가 필요한 상황이다.
- 실리콘은 흑연보다 10배 이상 높은 이론용량을 갖고 있다. 이러한 고용량 특성은 음극의 두께를 줄일 수 있어 고율 충전 성능에 영향을 미치는 전극 저항, 전극 내 리튬이온 이동, 리튬 금속 석출 등의 문제를 해결할 수 있는 환경을 제공한다.
- 하지만 전기 전도도가 낮고 리튬이온의 삽입과 탈리 시 300% 수준의 부피 변화를 수반하게 된다. 반복적인 충ㆍ방전 시 발생하는 큰 부피 변화는 실리콘 소재의 구조 붕괴, 표면에 형성된 solid electrolyte interface(SEI) 층의 파괴와 재형성으로 인한 가역 리튬의 지속적인 손실, 전극과 집전체 계면의 단락 등에 의해 열화가 가속화된다. 결국 단기간에 셀의 수명이 단절되는 문제가 발생된다.
- 이처럼 급격한 열화 특성으로 인해 실리콘계 소재의 사용은 흑연계 소재 기반에 일부를 첨가하는 수준으로 제한되고 있다. 또 에너지밀도 향상을 위한 실리콘 소재의 본격적인 활용을 위해서는 급격한 열화 특성을 극복할 수 있는 소재와 극판 개선 연구가 필수적인 상황이다.
- 현재 흑연 기반 음극에 10% 미만의 실리콘 활물질이 투입되고 있으며, 이때 에너지밀도는 300Wh/kg(700Wh/L)에 해당된다. 투입되는 실리콘 활물질의 용량과 초기효율은 1300~1500mAh/g, 80~85% 수준이다. 최근 들어 실리콘 함량을 10%를 넘어 20%까지 끌어올려 에너지밀도를 추가적으로 향상시키는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 실리콘 함량 증대 시 발생하는 다양한 문제점을 해결하기 위한 기술 개발도 다각도로 진행 중이다.
- 음극 실리콘 함량 증대를 통한 급속 충전의 성능 확보
- 이차전지의 급속 충전 성능은 에너지밀도 성능과 상충 관계에 있다. 이차전지 에너지밀도 상승에 필요한 주요 기술로는 전극 활물질의 고용량화 외에도 전극의 로딩 및 밀도의 증가가 큰 영향을 미친다. 하지만 전극의 로딩과 밀도가 증가할수록 전극 내 리튬이온 전달 특성이 저하되어 고속 충전 시 저항 증가 문제점을 일으켜 충전 시간 단축의 어려움이 있다.
- 특히 음극 내에서 급격한 리튬이온 농도의 감소와 그로 인한 저항 증가로 인해 전지 성능의 급격한 열화를 일으킬 수 있다. 뿐만 아니라 리튬 금속 석출의 문제가 발생하여 화재/폭발로 이어질 수 있는 안정성 이슈가 발생된다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해 음극 내 실리콘 함량을 증가시키는 연구개발이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 실리콘 함량의 증가는 흑연보다 비교적 속도론적으로 유리한 실리콘 소재의 적용과 아울러 음극판의 두께를 줄일 수 있다. 이로 인해 전극 내 리튬이온의 전달 현상을 개선하여 전지의 급속 충전 성능을 향상시킬 수 있다.
- 하지만 앞서 언급한 바와 같이 실리콘 소재의 태생적인 팽창/수축의 문제는 실리콘 고함량 음극일수록 보다 심각하게 나타난다. 이를 해결하기 위해서는 새로운 극판 설계 및 제조 기술이 필요하다.
- 음극 실리콘 함량 증대를 위한 기술 개발 방향
- 기존 실리콘계 소재 대비 높은 초기효율과 가역용량을 구현하는 신규 소재를 개발하고 이를 통해 전극의 로딩량(두께)을 최소화하여 전지의 급속 충전 및 에너지밀도를 극대화하는 기술 개발
- 음극의 부피 변화를 최소화할 수 있는 신규 고분자계 바인더 소재 및 이를 적용한 전극 제조 기술이나 새로운 고강도 전극 복합체 설계 및 제조 기술 개발
- 단일벽 탄소나노튜브 적용 등 네트워크화된 1-D 도전재의 적용, 도전재 분산 기술 개발과 적용을 통한 음극 부피 변화의 최소화, 부피 변화 발생에도 성능을 유지할 수있는 음극 제조 기술 개발
- 고함량 실리콘 음극의 부피 변화로 인한 계면 성능 불안정성을 해결할 수 있는 계면 안정화 유도 전해액 개발 - 고에너지밀도/급속 충전 동시 구현을 위한 고로딩/저저항 양극판 설계/제조 기술 개발
4. 이차전지 음극재의 저가화 기술 동향
- 실리콘 슬러지를 이용한 실리콘 음극 제조 기술의 필요성
- 실리콘을 이차전지 음극 소재로 적용하는 연구는 지속해서 이루어지고 있으나, 기존 흑연 음극 소재 대비 낮은 초기 효율, 부피 팽창 등의 소재 이슈, 그리고 높은 생산 비용과 낮은 생산량 등의 경제적 이슈로 상용화가 더딘 상태이다.
- 이에 전 세계적으로 많은 양이 발생하는 실리콘 슬러지를 이용한 이차전지용 실리콘 음극재 제조 기술이 실리콘 음극재 저가화 방안으로 대두되고 있다.
- 2022년 전 세계 실리콘 생산량은 880만 톤으로 반도체와 태양전지 제조 과정에서 필연적으로 실리콘 슬러지가 발생한다.
- 국내 반도체산업은 세계 반도체 파 운드리 용량의 약 12%를 차지하고 있으며, 이는 세계 3위의 매우 많은 생산량을 가지고 있다.
- 국내 태양광 패널 제조 분야 역시 세계 8위의 생산량을 가지고 있으며, 추후 계속 증가할 예정이다.
- 실리콘 슬러지에 포함된 실리콘은 고순도 재료로서 활용이 가능하며, 재활용을 통한 고부가가치화가 시급하다.
- 코로나 이후 원자재 가격 급등에 따라 실리콘 가격은 2배 이상 상승했으며, 대부분 수입에 의존하고 있어 공급망 불안 해소를 위한 업스트림으로의 확장은 불가피하다.
- 반도체산업에서 발생되는 공정 슬러지 실리콘은 서브미크론의 미세한 입자 형태로, 기존 설비로는 포집효율이 낮아 일반 슬러지와 함께 폐수 라인을 따라 배출되고 있기 때문에 많은 처리 비용과 시간이 소요될 뿐 아니라 환경오염을 불러올 수 있어 현재까지도 폐기물 처리에 어려움이 존재한다.
- 공정 슬러지가 함유한 많은 양의 실리콘을 단순 건설자재로 활용하거나 폐기하는 것은 경제적ㆍ환경적 측면에서 바람직하지 않기 때문에 자원순환 측면에서 재활용 방안의 검토가 절실히 요구된다.
- 국내 실리콘 음극재를 생산하는 소재사인 대주전자재료, 한솔케미칼, 포스코 등은 핵심 원료인 실리콘을 중국과 동남아에서 수입하여 국내 원료사가 가공하여 납품되는 형태로 이들 소재社는 탈중국 원료에 대한 수요가 높으나 경쟁력 있는 국산 원료 확보에는 어려움이 있다.
- 실리콘 슬러지를 활용한 저가 실리콘 음극재 제조 기술의 개발 방향
- 국내 반도체 및 태양광산업에서 발생되는 실리콘 슬러지에 대해 양산성 있는 포집 기술 개발
- 실리콘 음극재의 사양에 맞는 원료 정제 업사이클링 양산 기술의 개발 - 자연발화 억제를 위한 실리콘 원료 안정화 공정 기술의 개발
- 국내 재활용 원료를 활용한 실리콘계–저차 원 탄소 기반 음극 복합재(Si-alloy, SiOx, Si/C 등) 개발
- 재활용 실리콘계 음극의 수명/성능 개선을 위한 활물질 계면 안정화/저팽창 소재 기술의 개발
- 재활용 원료 기반 실리콘 음극재를 활용한 고용량 실리콘–탄소 전극 구조 설계 및 셀 공정 기술 개발
- 전극 내 부피 팽창에 의한 전극 변형과 이에 따른 수명 열화를 완화할 수 있는 저팽창 탄소첨가제 및 바인더 기술의 개발
5. 시사점
지속적으로 성장할 것으로 예상되는 전기자동차 시장을 선점하기 위해서는 이차전지산업의 경쟁력 확보가 필수적이다. 특히 이차전지 에너지밀도를 향상시키기 위해서 다양한 연구 개발이 이루어지고 있으나, 음극 용량 증대를 통한 에너지밀도 향상이 가장 현실적이고 가능성이 높은 방안이다. 음극 고용량화는 실리콘–흑연 복합 전극 내의 실리콘 함량 증가를 통하여 구현되고 있으며, 실리콘 함량 증가에 따라 발생하는 다양한 문제점을 새로운 기술 개발을 통해 해결하는 국가나 기업이 향후 이차전지 시장을 선도해 나갈 것으로 판단된다. 음극 내 실리콘 활용 증대에 따라 실리콘 원소재 및 가격 경쟁력 확보가 향후 큰 이슈가 될 가능성이 높다. 현재 국내 실리콘 원소재는 대부분 수입에 의존하고 있는데, 이를 극복하기 위하여 국내 대형 산업인 반도체와 태양광산업에서 대규모로 배출되는 실리콘 슬러지를 활용한 이차전지 실리콘 소재 제조 방안이 실리콘 원소재 및 가격 경쟁력 확보의 방안으로 대두되고 있다. 이러한 실리콘 슬러지 업사이클링 기술 개발은 경제적 측면뿐 아니라 환경적인 측면에서도 반드시 확보되어야 할 기술이다. 본고에서 소개한 음극 고용량화 및 저가화 기술 외에도 최근 이슈가 되고 있는 이차전지의 안전성 확보를 위하여 소재 개발 단계부터 고용량화에 따른 안전성 이슈를 반드시 확인해야 한다.
출처 및 참고자료
1. “Battery Materials Market”, MarketandMarket, 2022. 배터리 재료 시장 내 리튬이온 전지 시장 재가공. 2. “Indoor Farming Technology Market”, MarketsandMarkets, 2021. 2021~2026년 데이터 기반 연평균성장률을 활용하여 연장 추정.
3. J. W. Choi and D. Aurbach, Promise and reality of post-lithium-ion batteries with high energy densities, Nature Reviews Materials, 1, 16013, 2016.
4. G. F. I. Toki, et al., Recent progress and challenges in silicon-based anode materials for lithium-ion batteries, Industrial Chemistry & Materials, Issue 2, pp. 226-269. 2024.
5. Zelalem Bitew, et al., Nano-structured silicon and silicon based composites as anode materials for lithium ion batteries: recent progress and perspectives, Substainable Energy & Fuels, Issue 4, pp. 1014-1050. 2022.
6. Alaina Ali Beg, Lithium Reserves in India: Insights from source to Lithium metal batteries, The Indian wire, 2021.02.
작성자
이정두 이차전지 PD / 한국산업기술기획평가원(KEIT) 배터리디스플레이실 김승민 센터장 / 한국과학기술연구원(KIST) 탄소융합소재연구센터
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