충전 속도 한계 극복 열쇠 쥔 '음극재'.. 전기차 끝판왕을 찾아라 [오경진 기자의 전기차 오디세이]

흑연·실리콘·리튬메탈 소재 3파전

음극재, 배터리 성능·수명에 관여 
안정성 장점 흑연, 낮은 밀도 단점
밀도 높은 실리콘, 팽창 성질 한계
리튬메탈·무음극재 연구 개발 중 
실제 개발·상용화에 시간 걸릴 듯 

LG에너지솔루션의 실리콘 음극재 기술이 적용된 배터리를 탑재한 포르쉐의 순수전기차 타이칸.포르쉐 제공

전기차 배터리의 핵심 소재는 단연 양극재다. 주행거리를 결정하고 원가의 무려 40%를 차지하고 있어서다. 그다음이 바로 음극재. 배터리의 성능, 수명과 깊은 연관이 있다. 무엇보다 전기차 혁명의 가장 큰 걸림돌로 꼽히는 답답한 ‘충전 속도’를 획기적으로 개선할 열쇠가 음극재 안에 담겨 있을 것으로 기대된다.

●흑연 혁신이냐, 실리콘 안정화냐

음극재 혁신의 방향은 크게 세 가지다. 기존 소재의 구조 개선이나 차세대 소재 개발 그리고 아예 음극을 없애버리는 방법도 거론되고 있다.

현재는 음극재 원료로 대부분 흑연이 쓰인다. 흑연은 에너지 밀도가 낮은 게 흠이지만, 대신 규칙적이고 안정된 구조를 갖췄다. 크게 천연흑연과 인조흑연으로 구분된다. 둘을 비교하면 천연흑연은 용량 측면에서 우수하고 인조흑연은 안전성에 좀더 초점이 맞춰져 있다. 포스코케미칼은 지난 2월 천연흑연을 활용한 ‘저팽창 음극재’를 독자 기술로 개발했다고 밝혔다. 천연흑연의 치명적인 단점은 바로 흑연층이 벌어져 부푸는 ‘스웰링’(팽창) 현상인데, 포스코케미칼은 소재 구조를 ‘판상형’에서 ‘등방형’으로 개선해 팽창률을 기존보다 25% 낮추는 데 성공했다. 이를 통해 급속충전 성능도 15% 높였고 인조흑연 대비 제조원가도 낮췄다. 2023년부터 양산할 계획이며 제너럴모터스(GM)가 생산하는 전기차 배터리에 들어갈 예정이다.

흑연의 다음 타자는 실리콘이다. 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높다. 배터리 충전 속도를 비약적으로 끌어올릴 수 있는 실마리가 담긴 것으로 기대된다. 문제는 실리콘은 흑연보다 더 쉽게 팽창하는 성질을 갖고 있다는 점이다. 업계는 기존 흑연에 실리콘을 조금씩 첨가하면서, 또 팽창을 억제하는 물질을 함께 넣으면서 실리콘 음극재를 안정화하는 데 집중하고 있다. 현재 실리콘 음극재에 함유된 실리콘은 5~10% 정도다. 이를 최대 20%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 보인다.

삼성SDI, SK온 등 대부분 배터리 회사들이 실리콘 음극재를 개발하고 있으나 원조는 LG에너지솔루션이다. LG에너지솔루션은 2019년 세계 최초로 개발한 실리콘 음극재 배터리를 포르쉐의 순수전기차 ‘타이칸’에 탑재하며 가능성을 확인시킨 바 있다. ‘CNT 도전재’라는 물질을 음극재에 집어넣어 실리콘의 팽창 문제를 해결했다고 한다. 배터리사들은 타이칸을 넘어 폭스바겐, 테슬라 등도 조만간 실리콘 음극재 배터리를 탑재할 것으로 기대하고 있다.

타이칸 배터리 음극재에 담긴 비밀은 또 있다. 바로 ‘더블레이어코팅’(2종 전극 슬러리 동시 코팅) 기술이다. 전극의 활물질과 첨가제, 용매 등이 혼합된 물질인 ‘슬러리’를 코팅하는 것으로, 음극재를 강화해 배터리의 충전 속도를 크게 높일 수 있다는 설명이다. 타이칸은 현재 20분이면 완전 충전이 가능하다. 이 기술을 개발한 공로로 최상훈 LG에너지솔루션 상무는 지난달 과학기술정보통신부에서 ‘대한민국 엔지니어상’을 받기도 했다.

실리콘 이후에 대한 고민도 있다. 전고체 배터리에서 주로 활용될 것으로 예상되는 ‘리튬메탈배터리’(LMB)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 음극재로 흑연도, 실리콘도 아닌 리튬메탈을 사용한 배터리다. 충전 속도는 물론 주행거리도 큰 폭으로 늘릴 수 있다는 장점이 있지만 현재 기술로는 화재 위험성이 큰 것으로 알려졌다. 지난해 말 현대자동차를 비롯해 GM, 혼다 등 글로벌 주요 완성차 회사들과 속속 협력 계획을 밝혀 화제가 됐던 미국의 배터리 스타트업 SES가 개발하고 있는 제품이 바로 리튬메탈배터리다.

LG에너지솔루션의 실리콘 음극재 기술이 적용된 배터리를 탑재한 포르쉐의 순수전기차 타이칸.포르쉐 제공

●무음극재 배터리 연구 초기 단계

궁극의 음극재는 결국 ‘존재하지 않는 음극재’다. 마치 불교적 가르침을 떠오르게 하는 이 역설은 업계의 관심사인 ‘무음극 배터리’를 두고서 하는 말이다. 배터리가 시간이 갈수록 용량이 줄어드는 등 ‘수명’이 있는 이유는 결국 충전과 방전 시 리튬이온이 드나들면서 음극재 구조를 변화시키기 때문이다. 만약 음극재 없이 음극 집전체만 있는 상태로 충·방전이 가능하게 만든다면 현재 음극재의 한계를 뛰어넘을 수 있지 않겠느냐는 아이디어다. 전류를 전달하는 역할을 하는 음극 집전체로 현재는 동박을 사용하고 있다. 무음극 배터리는 집전체에 적절한 표면처리를 해 흑연, 실리콘 없이 집전체만으로도 충전이 되게 하는 원리다. 이와 관련한 연구는 초기 단계로 실제 개발과 상용화까지는 상당한 기간이 소요될 전망이다.

오경진 기자

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