[배터리 인사이드]②수명·충전속도 좌우하는 음극

[이데일리 경계영 기자] 스마트폰을 쓰다보면 처음 샀을 때보다 배터리(이차전지)가 더 빨리 닳기 마련이다. 이같은 배터리 수명에서 가장 중요한 구성요소가 음극이다.

현재 배터리 음극 활물질(배터리 내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 물질)로 가장 많이 쓰이는 소재는 흑연이다. 리튬이온이 양극(+)에서 음극(-)으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 들어온 리튬이온은 흑연 층 사이사이로 들어가 저장된다.

리튬이온 크기는 흑연 층 사이보다 커 흑연이 팽창되고 부피가 늘어난다. 충·방전을 거치며 리튬이온이 흑연 층을 오가는 동안 음극 부피가 계속 변하고 결국 흑연 구조도 미세하게 바뀌면서 수명이 닳는다.

흑연은 천연 흑연계와 인조 흑연계로 나눈다. 천연 흑연은 말 그대로 광산에서 채굴한 것인 데 비해 인조 흑연은 석유·피치 코크스를 원료로 전기 저항로에서 2500℃ 이상 가열해 만들어진다. 인조 흑연은 천연 흑연보다 결정구조가 일정하고 강도도 높으며 안정적인 데다 수명이 길다. 그만큼 가격도 상대적으로 비싸다.

국내에선 포스코케미칼(003670)이 유일하게 천연·인조 흑연 모두 만든다. 천연 흑연은 세종 공장에서 2만4000t 규모로 생산되며 2만2000t 2단계 증설 투자가 진행된다. 인조 흑연의 경우 1만6000t 규모의 포항 공장이 2023년 완공을 목표로 지어지고 있다. 포스코케미칼은 제철소에서 나온 부산물인 콜타르를 고온 가공해 침상 코크스를 직접 만들어 밸류체인을 강화했다.

(사진=포스코케미칼)

최근 음극 활물질에서 주목받는 소재는 실리콘이다. 최근 테슬라가 배터리 데이에서 채용을 확대하겠다고 발표한 바로 그 소재기도 하다. 흑연에 견줘 리튬이온을 더 많이 저장해 에너지 밀도가 높고 충전속도도 더 빠르게 만들 수 있다는 장점이 있다.

실리콘의 가장 큰 단점은 구조적 안정성이 낮다는 데 있다. 리튬이온을 음극에 저장할 때 음극 부피가 커지는데, 그 정도가 흑연은 10% 정도라면 실리콘은 그보다 더 크다.

LG화학(051910)은 지난해 음극 활물질에 실리콘을 첨가해 20분에 80% 이상 충전할 수 있는 배터리를 양산해 유럽 전기차업체에 공급했으며 삼성SDI(006400)는 5세대(Gen5) 배터리에 독자 특허로 상용화한 실리콘 음극 소재 SCN을 사용할 계획이다. SK이노베이션(096770)도 음극 활물질에 실리콘을 첨가하는 기술을 개발하고 있다.

SNE리서치는 음극 활물질에서 인조 흑연이 차지하는 비중이 지난해 53%에서 2025년 60%로 더 확대되고, 실리콘 비중도 같은 기간 3%에서 11%로 높아질 것이라고 내다봤다. 이에 비해 천연 흑연 비중은 43%에서 28%로 낮아질 것으로 점쳐졌다.