실리콘 음극재와 국내 투자 동향

미래가치와 정책지원

이차전지 산업은 세계적으로 급속히 성장하고 있으며 한국은 이차전지의 주요 생산국 중 하나이다. 이차전지의 품질과 성능을 높이고 다양한 종류의 이차전지를 개발하는 것을 목표로 노력하고 있으며, 국내외 시장을 확대하기 위해 많은 투자가 이루어지고 있다. 정부는 이차전지 산업을 국가 핵심 전략산업으로 지정하고 연구개발과 인력양성, 규제개선 등을 통해 산업 경쟁력을 강화한다는 계획을 발표하였다. 정부는 2025년까지 전기, 수소 미래차 시장선점 전략을 발표하면서 이차전지 소재, 부품, 장비 등 핵심부품을 완성차 60만 대 가치의 신 수출상품으로 육성하여 미래 부가가치 산업으로 기술적 우위와 세계시장에서 국내 제품이 선도할 수 있는 기반을 마련하겠다는 목표를 제시하고 있다. 

 

-. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)은 2023년 3월 8일 제155회 수요포럼에서 '이차전지 분야 국내외 연구개발 정책, 투자 동향'을 주제로 발표하였다. 이 발표에서 이차전지 분야의 연구개발 투자 방향과 기준을 수립하는 과정에서 과학기술기본법 제12조의 2에 따라 차년도 정부 연구개발 투자 방향 및 기준안을 작성하고 공청회를 통해 관련 이해관계자들의 의견을 수렴할 것이라고 밝혔다. 

 

-. 주영창 과기정통부 과학기술혁신 본부장은 "이차전지 분야를 비롯해 우리나라가 한정된 자원과 역량을 활용해 경쟁력을 갖추기 위해서는 결국 산업계, 학계, 연구계, 정부가 함께 '원-팀'이 돼 전략기술 확보에 총력을 기울일 필요가 있다."면서 "최고의 민간 전문가와 경제, 안보 부처들이 함께 모여 국가전략기술 정책 정반을 검토하고 총괄, 조정하는 국가전략기술 특별위원회가 4월 4일부터 본격적으로 출범해 운영되는 만큼 이차전지 분야에 대해서도 국가 차원에서 지원할 것"이라고 밝혔다. 

 

이차전지 산업의 향후 지원 방향은 다음과 같다.

(1) 이차전지의 안전성과 내구성을 높이기 위해 고성능 소재와 구조를 개발하고, 표준화와 인증제도를 강화한다. 

(2) 이차전지의 다양성과 유연성을 높이 위해 리튬이온 전지뿐만 아니라 고용량 전지, 고온 전지, 고압 전지 등 새로운 유형의 전지를 개발하고 모듈화와 커스터마이징 기술을 확산한다. 

(3) 이차전지의 환경 친화성과 자원 순환성을 높이 위해 친환경 소재와 제조공정을 개발하고, 폐전지 재활용과 자원 회수 기술을 확보한다.

(4) 이차전지의 시장 점유율과 수출 경쟁력을 높이기 위해 국내외 수요 예측과 시장분석을 강화하고 글로벌 네트워크와 협력체계를 구축한다. 

 

 

실리콘 음극재

최근 기업들이 전기자동차용 배터리의 핵심 소재인 실리콘 음극재 연구 개발에 2조 이상을 투자함으로써 기술 우위를 선점하고 시장 점유율을 확대하기 위한 경쟁이 치열하다. 국내에서는 대주전자재료가 실리콘 함량 5% 수준의 1세대 실리콘 음극재를 양산해 LG에너지 솔루션에 납품하고 있으며, LG에너지 솔루션이 전지자동차용 배터리를 생산해 폭스바겐 그룹 전기 스포츠카 '포르쉐 타이칸' 배터리에 탑재되었다. 

 

포르쉐 전기 스포츠카 타이칸

 

고용량 실리콘 음극재

전기자동차에 사용되는 리튬이온 이차전지의 출력밀도 및 에너지밀도의 향상에 대한 필요성은 증대되고 있으며, 기존 연소 엔진 자동차의 주행거리 수준을 확보하기 위해 전기자동차용 LIB(Li-ion Batteries)의 셀 단위 에너지 밀도가 1kg당 350Wh 이상으로 향상되어야 한다. LIB의 에너지 밀도 향상을 위해서는 고용량 전극 소재의 개발이 필수인데, 음극 소재의 개발은 양극재에 비해 빠르지 못한 실정이다. 현재 가장 뚜렷한 기술적인 진보를 보이고 있는 음극재 소재는 실리콘으로 탄소보다 리튬과의 결합력이 강하고 단위 질량당 리튬을 저 많이 저장할 수 있기 때문에 에너지 밀도가 높은 배터리를 만들 수 있다는 장점이 있다. 예를 들면, 탄소 음극재의 경우 1g당 372mAh의 용량을 가지지만, 실리콘 음극재의 경우 1g당 4200mAh의 용량을 가질 수 있다. 

 

이러한 장점에도 불구하고 기술적인 단계가 늦어지는 이유는 실리콘이 리튬과 결합할 때 부피가 크게 팽창하고 충방전을 반복할 때 부피가 줄어들면서 음극의 구조가 파괴되는 현상때문이다. 이로 인해 배터리의 성능과 수명이 저하되고 안전성도 떨어진다. 따라서, 현재 기술력 단계에서는 실리콘 음극재를 단독으로 사용하기보다는 탄소나 그래핀과 같은 다른 소재와 복합하여 사용하는 것이 일반적이다. 상용화된 실리콘 음극재의  실리콘 탑재 비중은 5% 정도이며 이를 높이려는 연구와 이에 따른 투자가 진행되고 있다. 실리콘 100% '퓨어 실리콘' 개발이 최종 목표로 세계 각국의 경쟁적 기술 개발이 이루어지고 있다. 

 

 

국내 투자 동향 

(1) 대주전자재료: 실리콘 함량 5% 수준의 1세대 실리콘 음극재의 생산 및 판매하고 있으며, 2027년까지 7% 함량의 2세대 실리콘 음극재를 생산할 계획이다. 경기 시흥의 기존 공장 신축을 위해 569억 원을 투자할 계획이며, 추가적인 신규 공장 건설을 새만금 국가산업단지에 268억 원을 투자할 계획이다. 중장기적인 음극재 생산 목표를 2025년 2만 톤, 2027년 4만 톤으로 확대할 계획이다. 

 

(2) SKC: 영국의 실리콘 음극재 기업 넥시온에 3300만 달러(432억 원)를 투자하는 형태로 사업에 진출했다. 넥시온은 실리콘 음극재의 문제점을 해결하기 위해 실리콘과 탄소를 복합한 음극재를 개발하였으며, 이를 빠르고 저렴하게 양산할 수 있는 기술력을 보유하고 있다. 또한 넥시온은 실리콘 음극재 관련 중요 특허를 가장 많이 보유하고 있는 기업으로 그 가치가 매우 높다. SKC는 컨소시엄의 주 사업자로서 넥시온의 지분 일부와 실리콘-탄소 복합체 음극재 기술 사업권을 확보하였다. SKC는 자사의 양산, 마케팅 역량과 넥시온의 차별화된 기술력을 결합하여 실리콘 음극재 시장에 진출할 계획이다.

 

(3) SK머티리얼즈구룹14: SK머티리얼즈와 미국의 배터리 음극 소재 기업인 그룹14 테크놀로지가 합작해 설립한 회사이다. 이 회사는 차세대 배터리 소재인 실리콘 음극재를 생산하고 있으며, 경북 상주시에 실리콘 음극재 공장에 8,500억 원을 투자하면서 공격적인 연구 개발 및 마케팅에 총력을 기울이고 있다. 그룹14 테크놀로지는 실리콘 음극재 관련 기술과 특허를 보유하고 있으며, SK머티리얼즈는 실리콘 음극재 주원료인 실란을 공급한다. 2023년 3분기부터는 전기자동차용 실리콘 음극재를 생산할 계획이며, 올해 2000톤을 시작으로 2025년까지 추가 증설을 통해 1만 톤 규모로 생산을 늘릴 계획이다. 

 

(4) 포스코실리콘솔루션: 포스코홀딩스 자회사로 경북 포항에 2025년까지 3000억 원을 투자하여 실리콘 5000톤 규모 음극재 공장을 짓는다. 포스코그룹은 차세대 실리콘 음극재 사업 추진을 위해 테라테크노스를 인수하면서 포스코실리콘 솔루션으로 이름을 변경하였다. 테라테크노스는 실리콘 입자 크기를 나노화하고 실리콘산화물 (SiOx)이라는 나노분말을 제조하는 기술을 개발한 회사이다. SiOx는 부피 팽창과 수명 감소 문제를 최소화하면서도 높은 용량과 보유율, 안정성을 보장하는 음극재로 평가받고 있다. 또한 열전달이 우수한 고옥 액상 방식의 연속 생산기술을 보유하고 있어 기존 배치식 기술 대비 생산성을 3배 이상 증가시킬 수 있다. 포스코홀딩스는 기술력에서 높은 평가를 받고 있는 테라테크노스를 인수함으로써 인조흑연을 개발하여 음극재 시장 점유율을 가지고 있는 포스코케미칼과 협력하여 SiOx 음극재의 사업화를 준비하고 있다. 

 

(5) 한솔케미칼: 전라북도 익산에 850억 원을 투자하여 실리콘 음극재 공장을 준공하였으며, 연간 750톤 규모의 생산 능력을 갖추고 있다. 한솔케미칼은 삼성SDI와 협력 관계가 있으며, 삼성SDI가 배터리에 탑재할 실리콘 음극재를 공급할 것으로 예상된다. 한솔케미칼은 실리콘 음극재뿐만 아니라 음극 바인더, 탄소나노튜브 분산재 등 음극재 재료의 포트폴리오도 강화하고 있다.