[Tech 스토리] 테슬라가 주목한 전기차 배터리 '음극재'

기사입력 : 2020년09월27일 09:49

최종수정 : 2020년09월27일 09:49

에너지 밀도 높이기 위한 양극재로 니켈 사용...기술 한계 봉착
음극재 개발 통해 에너지 밀도↑, 수명연장까지 가능하져
인조흑연 이어 '실리콘' 각광...팽창 최소화 기술이 관건

[편집자주] 기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 최근 전세계 전기차 업계 1위 테슬라가 배터리 데이 행사를 열면서 전기차 배터리 업계는 한창 들썩였습니다. 포스트 반도체로 주목되는 전기차 배터리 시장에 테슬라가 얼마나 영향력을 미치게 될 지에 대한 관심이 높았기 때문이죠.

전기차 배터리는 전기차의 급격한 성장과 맞물려 빠른 성장을 보이고 있습니다. 시장조사업체 IHS마킷이 예상한 전기차 배터리 시장 규모는 오는 2025년 1600억 달러(약 190조원)입니다. 2025년 1490억 달러(약 173조원)로 전망되는 메모리 반도체 시장보다 더 커질 수 있다는 것입니다.

특히 이날 테슬라 발표에서 배터리 업계가 관심을 쏟았던 기술 중 하나는 '실리콘 음극재'였습니다. 많은 배터리 업체들이 양극재의 니켈 비중을 늘려 에너지 밀도를 높여왔지만 한계에 봉착하자 음극재 개발로 영역을 확대하고 있는 추세입니다.

리튬이온 배터리 충방전 원리. [사진=삼성SDI]

◆ 리튬이온, 양극-음극 이동하며 배터리 충방전

음극재를 설명하기에 앞서 전기차 배터리에 사용되는 리튬이온 배터리의 원리와 구성 요소부터 알아보겠습니다.

리튬이온 배터리는 양극', '음극', '분리막', '전해질(전해액)'로 구성돼 있습니다. 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화환원 반응'을 통해 발생하는 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 것이죠.

양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 '리튬산화물(Li + O)'로 구성돼 있습니다. 충전 시에는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동하고 방전 시에는 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다.

여기서 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 돕는 매개체 역할을 합니다. 이온은 전해액을 통해 이동하고, 그 동안 전자는 도선으로 이동하게 됩니다. 그러면서 전기가 발생되는 것이죠.

분리막은 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 양극과 음극을 분리시키는 일을 합니다.

양극과 음극이 배터리 용량, 수명을 좌우한다면 전해질과 분리막은 안전성을 결정짓는 구성요소라고 볼 수 있습니다.

◆ 양극재로 용량 높였지만...수명 단축 막기 어려워

양극은 배터리 특성을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리 용량과 전압이 결정됩니다. 중요성이 높은 만큼 배터리 원가에서도 차지하는 비중이 높습니다. 양극재는 배터리 원가의 40~45%를, 전기차 가격의 20%를 차지합니다.

현재 대부분의 전기차용 리튬 배터리는 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al)을 배합해 양극 활물질로 사용하고 있습니다.

주로 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등의 조합으로 사용하는데 각 금속의 비율에 따라 특성이 조금씩 다릅니다. 현재는 니켈 함유량을 높여 에너지 밀도를 높이는 방식이 경쟁적으로 사용되고 있습니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 음극재로 사용하는 흑연은 충방전 시 리튬이온 이동으로 팽창하게 돼 수명이 줄어든다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

하지만 리튬이온 배터리의 특성 강화를 위해서는 양극재 만으로는 한계가 있습니다. 에너지 밀도 확대와 충전 시간 단축을 이루는 것이 양극재 개발로만은 어렵다는 것을 확인한 것이죠.

특히 음극재가 개발되지 않고서는 줄어드는 수명을 막기가 어렵습니다. 양극이 아무리 리튬이온을 보낸다 해도 이를 받아들이는 음극 구조가 무너지면 소용이 없는 셈이죠.

이런 이유로 음극재가 양극재 못지 않게 중요한 소재로 떠오르고 있습니다.

현재 주로 사용되고 있는 음극재는 흑연(Graphite)입니다. 흑연은 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조입니다. 아주 규칙적인 구조로 돼 있죠.

흑연을 '아파트'라고 생각하면 쉽습니다. 오랜 시간 충방전으로 리튬이온이 흑연(방)을 들락날락 하게 되면 그 방은 망가져 못쓰게 됩니다.

충전 시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가는데, 이 때 리튬이온이 들어간 흑연이 팽창 됩니다.

리튬이온이 흑연 층을 왔다 갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명도 미세하게 감소됩니다. 다만 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성에 문제가 있는 건 아니라고 하네요.

이러한 부피 변화는 용량에도 영향을 미칩니다. 제조사들은 이러한 구조적 변화를 고려해 약간의 여유를 두고 배터리를 설계합니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 배터리 업계는 음극재로 실리콘을 채택하고 있다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

◆ '실리콘'으로 수명연장+에너지밀도↑

배터리 제조사들은 양극에 맞춰 효율적인 음극을 만들기 위해 단위 부피당 에너지 밀도가 높고 팽창이 되지 않는 소재 개발에 집중하기 시작했습니다.

팽창이 많이 되는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 많이 잡아야 하기 때문에 빈 공간이 많아져 용량이 상대적으로 줄어들게 됩니다. 반면 부피가 덜 팽창하는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 적게 가져갈 수 있어서 보다 높은 용량을 가질 수 있는 것이죠.

이에 음극재로 인조흑연을 많이 사용하는 추세입니다. 초기에 주로 사용했던 천연흑연은 전압이 낮고 더 많이 부풉니다. 반면 인조흑연은 에너지밀도는 유사하지만 소재의 균일성이 높아 충방전 수명이 길어지는 장점이 있습니다. 다만 가격이 천연 흑연보다는 비쌉니다.

인조흑연 사용은 앞으로 더 늘어날 전망입니다. 시장조사업체 SNE 리서치에 따르면 2차전지 음극재 인조흑연 비중은 지난해 53%에서 2025년 60%로 성장이 예상됩니다.

나아가 차세대 소재로 '실리콘(Si)'이 주목받고 있습니다. 흑연이 팽창하지 않도록 하는 코팅 기술이 발전하면서 용량을 더 높이기 위해 흑연에 실리콘을 섞기 시작한 것입니다.

하지만 실리콘에는 치명적 단점이 있습니다. 바로 '팽창'입니다. 아무리 흑연에 팽창 방지 코팅을 적용했다 하지만 이 것만으로는 부족하기 때문이죠. 실리콘은 흑연 대비 30~40배 이상 팽창합니다.

그럼에도 실리콘을 선택한 이유는 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 개선할 수 있다는 데 있습니다. 또한 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 흑연을 대체할 고용량 음극소재로 기대되고 있습니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 실리콘 음극재 시장 규모. [자료=하이투자증권] 2020.09.25 sjh@newspim.com

SNE리서치는 지난해 약 3% 비중을 차지했던 실리콘 음극재가 2025년에는 약 11%에 이를 것으로 분석했습니다. 하이투자증권은 음극재 시장 규모가 올해 약 133억원에서 2025년 5조5000억원 규모로 급격히 성장할 것이란 전망을 내놓기도 했습니다.

이에 배터리 업계는 실리콘의 구조를 안정화 시키는 방향의 연구 개발에 공을 들이고 있습니다.

◆ 실리콘 음극재 주목...'팽창' 최소화 관건

국내외 배터리 업체들은 실리콘을 차세대 음극재로 보고 이를 활용한 배터리 개발에 나서고 있습니다.

글로벌 전기차 배터리 1위인 LG화학은 지난해 하반기에 출시된 유럽 전기차에 실리콘 음극재를 적용한 중대형 배터리를 전세계 최초로 공급했습니다.

안정성 문제 해결을 위해 도전제에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합해 사용하는 방안도 추진 중입니다. 실리콘 음극재에 CNT 도전제를 적용하면 부피 팽장 문제를 해결하면서도 전자 이동 시간을 줄여 충전시간까지 단축시킬 수 있습니다.

삼성SDI는 '실리콘 카본 나노복합소재(SCN)'라는 독자 기술을 사용하고 있습니다. 실리콘을 머리카락 두께 수 천분의 1 크기인 '나노' 단위로 쪼갠 뒤 이를 흑연과 혼합해 팽창 문제를 해결했습니다.

SK이노베이션도 실리콘을 첨가해 한 번 충전에 700㎞를 주행하고 10분 충전으로 300㎞를 주행할 수 있는 전기차용 음극재를 개발 중입니다.

최근 테슬라도 배터리데이 행사에서 실리콘 음극재를 사용한 배터리를 개발하겠다고 발표했습니다. 또한 테슬라 개발자 출신이 설립한 미국 스타트업 실라 나노테크놀로지스도 이 대열에 참여하고 있습니다. 올해 중국 배터리 회사 ATL에 전자기기용 소형 배터리를, 2023년에는 전기차용 배터리 첫 공급을 목표로 준비 중입니다.

"힘세고 오래가는 건전지"라는 카피라이트가 한 때 유명했었습니다. 그만큼 처음처럼 오래 사용하는 건전지에 대한 시장의 니즈가 크다는 것이죠.

지금의 전기차 배터리에서는 힘세고 오래갈 뿐 아니라 충전 시간까지 짧게 줄이는 것이 핵심입니다. 현재의 단점들을 누가 빨리 개선하느냐가 향후 배터리 시장을 이끌어 갈 것으로 보입니다.

sjh@newspim.com

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고려아연·영풍, 상호 비방하며 지분 전쟁 [서울=뉴스핌] 김승현 기자 = 75년간 공동으로 경영을 이어가던 고려아연과 (주)영풍의 경영권 분쟁이 점입가경이다. 국내 최대 사모펀드 운용사인 MBK 파트너스와 손잡은 영풍 측은 최윤범 고려아연 회장을 배임, 주가 조작 등 혐의로 법적 조치에 나섰다. 고려아연은 영풍 측이 환경법과 중대재해처벌법을 수시로 위반하는 등 경영 실패의 주범이라고 지목하며 양측의 관계는 돌이킬 수 없을 정도로 악화됐다는 평가다. 향후 경영권 분쟁의 관건은 양측 우호 지분(백기사)과 소액주주, 국민연금과 영풍정밀 지분 확보가 될 것이라는 게 업계의 관측이다. 박기덕 고려아연 대표이사 사장. [사진=고려아연] ◆ 박기덕 고려아연 사장 입장문 발표..."영풍·MBK 공개 매수 공식 반대" 박기덕 고려아연 대표이사 사장은 18일 입장문을 통해 "고려아연은 당사의 주주인 ㈜영풍이 기업 사냥꾼 MBK 파트너스와 결탁해 일방적으로 진행하는 공개 매수에 반대 의사를 공식 표명한다"고 밝혔다. 이어 "약탈적 기업 사냥꾼이자 투기 자본인 MBK와 결탁해 공개 매수를 진행하는 당사의 주주 영풍은 그동안 석포제련소를 운영해 오면서 각종 환경 오염 피해를 일으켜 지역 주민들과 낙동강 수계에 막대한 피해를 입혀왔다"고 비판했다. 또한 "빈발하는 중대재해 사고로 최근 대표이사들이 모두 구속됐고, 또 다른 문제인 카드뮴 누출 등 환경 오염으로 현재 구속된 대표이사들에게 추가로 실형이 구형되는 등 사회적 지탄이 이어지고 있고, 특히 사업을 계속할 수 없을 정도로 회사 운영에 있어 심각한 문제가 이어지고 있다"고 지적했다. 박 사장은 아울러 "사모펀드 MBK 파트너스는 그동안 수차례 국내에서 시장 경쟁력 있는 회사를 인수한 다음 핵심 자산을 매각하거나 과도한 배당금 수령 등을 통해 투자금 회수에만 몰두하는 등 약탈적 경영을 일삼아왔다"고 말했다. 그러면서 "특히 주목할 점은 MBK 파트너스는 영풍 및 그 특수 관계인의 지분에 대해 콜 옵션을 보유하고 있는 것으로 알려진 바, 약탈적 자본과 결탁한 공개 매수자들이 당사 경영권을 인수한 다음 당사의 경영권을 해외 자본에 재매각할 가능성이 매우 높다"며 "이렇게 되면 국가 기간산업 및 이차전지 소재 관련 핵심 기술과 역량이 해외로 유출되는 엄청난 부작용도 우려된다"고 주장했다. 영풍 본사 전경. [사진=영풍] ◆ 영풍·MBK, 고려아연 공개 매수 발표...고려아연 "적대적 약탈적 M&A" 반격 고려아연과 영풍의 이번 경영권 분쟁은 지난 13일 MBK 파트너스와 영풍의 고려아연 공개 매수 발표를 시작으로 본격화됐다. MBK 파트너스의 특수목적법인(SPC) 한국기업투자홀딩스와 영풍은 고려아연 지분 약 7~14.6%(144만 5036주~302만 4881주)를 공개 매수한다. 이번 공개 매수는 10월 4일까지 진행되며 공개 매수가는 주당 66만 원이다. 공개 매수 대금은 약 2조 원이다. 영풍 측은 "지난 75년간 2세에까지 이어져 온 두 가문 공동 경영의 시대가 이제 여기서 마무리되는 것이 바람직하다고 생각한다"며 이번 공개 매수에 대한 입장을 밝혔다. 영풍이 MBK 파트너스와 손잡으며 최윤범 고려아연 회장의 경영권이 위협받고 있다. 영풍은 공개 매수 발표 이후 최윤범 회장을 대상으로 회계 장부 열람 및 등사 가처분 신청을 서울중앙지방법원에 제출했다. 최 회장의 배임, 주가 조작 등 5가지 혐의를 주장했다. 이어 고려아연이 공개 매수 기간 자사주를 취득하는 것은 자본시장법 위반이라고 경고하기도 했다. 고려아연은 앞서 지속적인 자사주 매입과 소각을 통해 영풍의 지배력을 낮춰온 바 있다. 최윤범 회장은 현재 우호 지분을 합쳐 33.2%의 지분을 보유하고 있다. 고려아연은 제3자 유상증자를 통해 LG와 한화, 현대차 등 대기업을 우호 세력(백기사)으로 포섭했다. 장형진 영풍그룹 고문 측 지분은 오너가를 합해 33.1%다. 양측 모두 과반 지분을 확보하지 못하고 있어 소액주주가 가진 27.4%, 국민연금이 보유한 7.8% 지분이 관건이다. 이 같은 상황에 양측이 법적 공방과 함께 여론전에 나선 것으로 풀이된다. 영풍과 MBK 파트너스는 고려아연의 자회사인 영풍정밀에 대한 공개 매수도 진행한다. 영풍정밀은 고려아연의 지분 1.58%를 가지고 있다. 고려아연은 영풍이 MBK 파트너스와 함께 고려아연의 공개 매수를 추진하겠다고 밝히자 즉각 공시를 통해 "기업 사냥꾼의 적대적 약탈적 기업합병(M&A)"이라고 반격에 나섰다. 고려아연은 "영풍과 결탁한 MBK 파트너스와 같은 기업 사냥꾼들은 투자 수익률 극대화라는 단기적인 관점으로 기업에 접근하는 만큼 배터리 등 대한민국 전략 산업과 미래 성장 동력을 키우고, 이를 통해 중장기적인 기업 가치를 증대시키고자 하는 당사를 정상적으로 경영하는 것은 불가능할 것"이라고 지적했다. kimsh@newspim.com 2024-09-18 12:48