"고함량 실리콘 음극재 2028년 양산 목표"

포스코퓨처엠 '꿈의 소재' 개발
흑연보다 에너지 저장 4배↑
고급EV·로봇용 배터리 최적화
실리콘 나노화 신기술 적용
최대난제 부피팽창 문제 해결
K배터리 게임체인저 기대

포스코퓨처엠이 차세대 배터리 핵심 소재로 꼽히는 실리콘 음극재 양산 신기술 확보에 성공했다. 회사는 2028년 상용화를 목표로 프리미엄 전기차, 휴머노이드 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 미래 배터리 시장 공략에 나설 계획이다. 포스코퓨처엠은 20일 기존 흑연계 음극재보다 에너지 저장 능력을 4배 이상 높인 실리콘 음극재 기술을 개발했다고 밝혔다. 실리콘 음극재는 배터리 업계에서 '꿈의 배터리 소재'로 불린다. 전기차 배터리 성능을 크게 끌어올릴 수 있는 차세대 기술로 평가받기 때문이다.

배터리에서 음극재는 전기를 저장하는 역할을 한다. 지금까지는 안정성과 가격 경쟁력을 갖춘 흑연이 주로 쓰였지만 저장 용량에 한계가 있었다. 실리콘은 구조가 얇고 전류 이동이 활발해 흑연보다 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 같은 크기 배터리에도 더 많은 전기를 담을 수 있다는 의미다. 이론적으로는 흑연 대비 5~10배 높은 저장 능력을 갖춰 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 줄일 차세대 소재로 평가된다.

이 때문에 프리미엄 전기차는 물론 전력 효율과 경량화가 중요한 휴머노이드 로봇, UAM, 드론 시장에서도 핵심 기술로 주목받고 있다. 다만 실리콘 음극재는 상용화가 쉽지 않다. 충전과 방전을 반복하는 과정에서 부피가 크게 팽창하는 문제가 발생하기 때문이다. 이로써 배터리가 반복 사용될수록 성능이 빠르게 떨어지고 수명이 짧아질 수 있다는 점도 한계로 꼽혔다.

포스코퓨처엠은 실리콘을 초미세 단위로 쪼개는 나노화 기술과 탄소 복합화 기술을 적용해 이런 문제를 크게 줄였다. 실리콘 입자를 아주 작은 크기로 분산해 충·방전 과정에서 발생하는 팽창 부담을 줄이고 표면을 탄소 소재와 결합해 구조 안정성을 높인 것이다. 이를 통해 실리콘 음극재의 최대 약점으로 꼽히던 수명 저하와 성능 불안정 문제를 개선했다. 포스코퓨처엠 관계자는 "배터리 성능 경쟁이 양극재 중심에서 음극재까지 확대되는 흐름"이라며 "실리콘 음극재 상용화는 주행 거리와 충전 속도를 모두 개선할 수 있어 글로벌 배터리 기업들의 관심이 집중된 분야"라고 밝혔다.

그간 일부 배터리 업체도 실리콘 음극재 기술을 개발해왔다. 하지만 포스코퓨처엠은 실리콘 음극재 비중을 전체 음극재의 20% 이상으로 높였다는 점에서 눈길을 끈다. 실제 테스트에서도 충·방전 1000회 이후 초기 용량의 80% 이상을 유지하는 성능을 확보했다. 이는 기존 배터리보다 더 많은 에너지를 저장하면서도 내구성까지 확보했다는 의미다.

업계는 포스코퓨처엠이 양극재에 이어 음극재 기술 경쟁력까지 확보하면서 차세대 배터리 소재 시장에서 입지를 넓힐 것으로 보고 있다. 업계 관계자는 "전기차 시장이 캐즘(정체)을 겪고 있지만 프리미엄 전기차와 휴머노이드 로봇처럼 고성능 배터리가 필요한 분야는 오히려 빠르게 성장하고 있다"며 "실리콘 음극재는 충전 속도와 에너지 밀도를 동시에 높일 수 있어 향후 핵심 경쟁 포인트가 될 것"이라고 말했다. 향후 상용화와 양산 과정에서 가격 경쟁력, 수율 확보 등 해결할 과제가 남아 있지만 이를 넘어 대량생산에 성공할 경우 차세대 배터리 시장의 판도를 바꿀 '게임체인저' 역할을 할 것으로 기대된다.

[추동훈 기자]