안녕하십니까,
부매경입니다.
오늘은 리튬 이온 배터리의 성능을 향상하는 실리콘 음극재에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
실리콘 음극재란?
- 양극에 있던 리튬이온(Li+)이 음극재로 이동하면서 충전
- 리튬이온을 음극재가 저장했다 방출하면서 전류 생성하여 배터리 수명과 충전속도의 중요한 음극재
- 일반적으로 음극재는 흑연계가 주도
- 최근 에너지 밀도 향상 및 충방전 속도 향상을 위해 실리콘 음극재 부각
리튬 이온 배터리에 사용되는 음극재는 흑연계 음극재로 주로 사용되고 있으나, 에너지 고밀도/충방전 고속화를 위해 최근 실리콘 음극재가 각광받고 있습니다. 실리콘 음극재는 단위 무게당 용량이 기존 흑연계 음극재보다 10배가량 높아 에너지 밀도, 즉 배터리 성능을 늘리고 충전시간도 단축할 수 있습니다.
실리콘 음극재 장점
- 높은 에너지 밀도 : 흑연계 비해 더 많은 리튬 이온 흡수, 에너지 밀도가 향상
- 빠른 충전 : 리튬이온을 빠르게 흡수 및 방전할 수 있음
- 긴 수명: 배터리의 수명 향상
- 친환경성 : 실리콘 재사용 가능성이 높아 친환경적으로 평가
실리콘 음극재 단점
- 추전 및 방전 반복 시 팽창 및 수축으로 인해 소성(변형)이 생김
- 초기 충전/방전의 효율이 상대적으로 낮음
- 실리콘은 흑연계 음극재 대비 가격이 높은 수준임
실리콘 음극재는 높은 에너지 밀도와 빠른 충전으로 고성능 배터리가 사용되는 전기자동차에 많이 적용되고 있습니다. 장점을 살리고 단점을 보완하기 위해 흑연계 음극재와 혼합하여 사용되고 있습니다. 현재는 매우 낮은 비율로 적용되고 있으나, 실리콘의 소성(변형)에 대한 안정성을 높이는 기술과 함께 사용비율도 증가할 것으로 보고 있습니다.
실리콘 음극재 시장
- 2020년 배터리의 음극재 중 실리콘 음극재는 1~2% 수준
- 2027년 실리콘 음극재가 전체 음극재의 약 10% 이상 전망
- 배터리 음극재 시장은 2022년 10조 수준으로 2030년 약 27조 원 이상 전망
배터리의 양극재가 배터리 원가의 약 40% 정도 차지하며, 음극재는 약 15% 수준으로 보고 있습니다. 전기차의 보급이 늘어나면서 양극재뿐 아니라 음극재에 대한 시장도 점점 커질 것으로 예상하고 있습니다.
실리콘 음극재 관련회사
- 대주전자재료 : 실리콘 음극재 개발, 2019년부터 양산 중 (2022년 3,000톤 생산)
- 포스코퓨처엠 : 2025년까지 3,000억 투자 연간 5,000톤 규모 실리콘 음극재 공장 건설 예정
- SK머티리얼즈 : 2023년 4월 연간 2,000톤 규모 실리콘 음극재 공장 완공 (2025년까지 1만 톤 생산 계획)
- LG화학 : 100% 퓨어 실리콘 개발 중
전체 음극재 시장의 약 84%가 중국이 장악하고 있으나, 최근 미국 IRA 법안에 따라 전기차 업체에서 전기자동차를 미국에 팔려면 중국산 음극재 비중을 줄여야 합니다. 이로 인해 우리나라의 음극재 생산 기업에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
마무리
실리콘 음극재는 리튬 이온 배터리의 성능을 향상하는데 중요한 역할을 합니다. 높은 에너지 밀도와 빠른 충전 등의 이점으로 기존 흑연계 음극재와 혼합하여 사용하고 있으며, 향후 지속적인 개발을 통해 100% 실리콘 음극재가 양상 될 수 있는지 관심을 가지고 지켜봐야겠습니다.
이상입니다. 감사합니다.
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