[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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일라이 릴리, 먹는 비만 약 임상 성공적 [서울=뉴스핌] 고인원 기자= 주사 없이 하루 한 알로 체중을 감량할 수 있는 비만 치료제가 현실로 다가오고 있다. 미국 제약사 일라이 릴리는 17일(현지시간) 현재 회사가 개발 중인 경구용 GLP-1 작용제 '오포글리프론'의 임상 3상 시험에서 체중 감량과 혈당 조절 두 마리 토끼를 모두 잡는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 임상은 제2형 당뇨병 환자를 대상으로 40주간 진행됐다. 최대 용량을 복용한 환자들은 평균 체중의 7.9%(약 7.3kg)를 감량했으며, 시험 종료 시점에도 체중 감량이 멈추지 않아 체중 감량 정체기에 도달하지 않은 것으로 확인됐다. 일라이 릴리는 "이번 결과는 주사제에 버금가는 수준이며, 안전성과 내약성 또한 긍정적으로 평가됐다"고 설명했다. 일라이 릴리 로고 [자료=로이터] 다만, 당뇨병 치료의 핵심 지표인 혈당 조절 효과(A1c)는 1.3~1.6%포인트 개선에 그쳐, 일부 애널리스트들이 기대한 1.8~2.1% 수준에는 못 미쳤다. 하지만 위약군이 0.1% 감소에 그친 점을 고려하면 의미 있는 개선이라는 평가다. 부작용은 대부분 경미하거나 중간 정도의 위장 장애였으며, 최대 8%의 환자만이 부작용으로 치료를 중단했다. 업계에서는 하루 한 번 복용하는 특성상 주사제보다 부작용이 클 것이라는 우려가 있었지만, 실제 데이터는 이를 크게 웃돌지 않았다. 오포글리프론은 기존 주사제인 오젬픽(Ozempic), 위고비(Wegovy) 등과 달리 펩타이드가 아닌 비펩타이드 경구 약물로, 체내 흡수가 더 용이하고 식이 제한이 필요 없는 것이 강점이다. 또한 제조 공정이 간단하고 대량 생산이 가능해 글로벌 수요 대응에도 유리하다는 평가다. 일라이 릴리는 올해 말 비만 치료제로 먼저 허가 신청을 할 계획이며, 당뇨 치료제는 2026년 허가를 목표로 하고 있다. 현재 진행 중인 임상은 총 7건(당뇨병 5건, 비만 2건)으로, 경쟁사인 아스트라제네카와 로슈, 바이킹 테라퓨틱스보다 최소 3년 이상 앞선 상황이다. 전문가들은 GLP-1 계열 비만 치료제 시장이 2030년대 초 1500억 달러(약 200조 원) 규모로 성장할 것으로 보고 있으며, 이 중 경구형 약물만 500억 달러 이상을 차지할 것으로 내다본다. 글로벌 공급난 해소와 주사제 대체 가능성을 모두 갖춘 오포글리프론이 상용화될 경우, 일라이 릴리가 시장 주도권을 확고히 할 것이라는 전망도 나온다. 이 같은 보도 내용에 이날 뉴욕 증시 오전 거래에서 일라이 릴리(LLY)의 주가는 16% 넘게 급등하고 있다. koinwon@newspim.com 2025-04-17 22:56

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이재명 "국회·대통령실, 세종 이전 추진" [서울=뉴스핌] 윤채영 기자 = 이재명 더불어민주당 6·3 대통령선거 예비후보는 17일 "세종을 행정수도의 중심으로 완성하겠다"며 국회의사당과 대통령 집무실을 세종으로 완전 이전하겠다고 약속했다. 이 대표는 이날 자신의 페이스북에 "국회 세종의사당과 대통령 세종 집무실을 임기 내 건립하겠다"며 "국회 본원과 대통령 집무실의 세종시 완전 이전도 사회적 합의를 거쳐 추진하겠다"고 공약했다. [서울=뉴스핌] 정일구 기자 = 이재명 더불어민주당 대선 경선 후보. 2025.04.16 mironj19@newspim.com 이 예비후보는 이날 충청 지역 공약 로드맵을 제시했다. 세종은 행정수도로, 대전은 세계적 과학 수도로 만들겠다고 했다. 대전에 대해서는 "대덕연구특구를 글로벌 과학기술 혁신클러스터로 전환하겠다"며 "글로벌 융합연구 네트워크를 강화하고, 인재 양성 인프라 확충을 지원하겠다"고 했다. 이 예비후보는 대전연구특구를 "AI와 우주산업 중심지로 키우겠다"며 "'스마트시티 국가시범도시' 전략과 연계해 세종을 스마트·디지털 행정 허브로 만들겠다"고 약속했다. 또 삭감된 R&D 예산은 대폭 늘리겠다고 했다. 충청권에는 대전(AI·우주산업)~세종(스마트행정)~충북(바이오·반도체·이차전지)~충남(디스플레이)를 잇는 첨단산업벨트 구축을 약속했다. 이 예비후보는 "보령‧태안‧당진에 있던 석탄화력발전소 폐쇄 지역을 태양광·풍력·그린수소 등 재생에너지 중심지로 전환하는 지역 지원 특별법을 추진하겠다"며 "논산, 계룡에 국방 관련 기관을 유치해 스마트 국방산업 발전을 지원하겠다"고 강조했다. 이 예비후보는 "충북 내륙은 휴양·힐링 관광벨트로 발전시키겠다"며 ▲청주~증평~진천~음성까지 이어지는 관광·휴양지 조성을 지원 ▲충주호와 단양8경은 호반 관광·휴양벨트로 연결하고, 소백산~속리산~장령산~민주지산을 잇는 백두대간 탐방벨트 조성 지원을 약속했다. 아울러 "청주공항을 확장하고, 사통팔달 광역 교통망을 구축하겠다"며 ▲청주국제공항에 민간전용 활주로 신설 ▲충남 서산~천안~청주~경북 울진을 잇는 중부권 동서횡단철도 조기 확정 등을 약속했다. [서울=뉴스핌] 국회사진취재단 = 이재명 더불어민주당 대선 예비후보. 2025.04.14 photo@newspim.com 다음은 이 예비후보가 페이스북에 올린 충청 지역 공약 전문이다. <이재명 경선후보 페이스북 게시용 충청 지역공약> "대한민국 균형발전의 심장, 충청을 행정‧과학 수도로 만들겠습니다" 충청은 국토의 중심이자 대한민국의 심장입니다.수도권과 남부권을 잇는 전략적 요충지입니다.충청의 심장이 힘차게 뛰어야, 대한민국 경제의 혈맥이 살아납니다. 수도권 집중으로 지역은 소외되고, 기회는 편중됐습니다.국가가 나서야 합니다. 균형발전은 선택이 아닌 생존의 문제입니다.충청에 맞는 산업을 배치하고, 과감한 투자로 새로운 미래를 만들어야 합니다.저 이재명, 진짜 균형발전에 앞장서겠습니다. 충청을 '행정·과학 수도'로 조성해,대한민국 균형발전의 중심축으로 삼겠습니다. 세종은 명실상부한 행정수도로, 대전은 세계적 과학수도로 만들겠습니다.충북은 미래산업의 중심지로, 충남은 환황해권의 거점으로 완성하겠습니다. 첫째, 세종을 행정수도의 중심으로 완성하고 제2차 공공기관 이전을 조속히 추진하겠습니다. 국회 세종의사당과 대통령 세종 집무실을 임기 내 건립하겠습니다.국회 본원과 대통령 집무실의 세종시 완전 이전도 사회적 합의를 거쳐 추진하겠습니다.중단(2019년)된 공공기관 이전을 조속히 재개하겠습니다. '무늬만 혁신도시'가 아닌 실질적 기능을 갖추겠습니다.대전과 충남 혁신도시에는 지역 경쟁력을 고려한 공공기관을 유치하겠습니다.충북혁신도시는 중부내륙 성장거점으로 키우겠습니다. 둘째, 대전을 한 차원 높은 과학 수도로 만들겠습니다. 대덕연구특구를 글로벌 과학기술 혁신클러스터로 전환하겠습니다.글로벌 융합연구 네트워크를 강화하고, 인재 양성 인프라 확충을 지원하겠습니다. 삭감된 R&D 예산은 대폭 늘리고, 연구자와 기술자 정주 여건도 개선하겠습니다.성과 지원을 두텁게 해 무너진 연구 생태계를 다시 일으키겠습니다. 셋째, 충청권에 첨단산업벨트를 구축하겠습니다. 대전(AI·우주산업)~세종(스마트행정)~충북(바이오‧반도체‧이차전지)~충남(디스플레이)을 잇는 유기적인 첨단산업벨트를 구축하겠습니다. 대전 대덕연구특구는 AI와 우주산업 중심지로 키우겠습니다.'스마트시티 국가시범도시' 전략과 연계해세종을 스마트‧디지털 행정 허브로 자리매김하겠습니다. 충북은 K-바이오스퀘어를 조기 조성해글로벌 바이오산업 클러스터로 육성하겠습니다.이차전지‧반도체사업 분야는 R&D와 인력 양성 인프라를 강화해초격차 경쟁력 확보를 지원하겠습니다. 충남은 국제 경쟁력과 생산성을 갖춘,미래형 디스플레이 산업 메카로 만들겠습니다.국산화 기술개발을 지원하고, 핵심 소재‧부품기업을 육성하겠습니다.혁신공정 플랫폼 등 인프라도 갖춰차세대 디스플레이 기술 확보를 지원하겠습니다. 보령‧태안‧당진에 있던 석탄화력발전소 폐쇄 지역을태양광‧풍력‧그린수소 등 재생에너지 중심지로 전환하는지역 지원 특별법을 추진하겠습니다.논산, 계룡에 국방 관련 기관을 유치해 스마트 국방산업 발전을 지원하겠습니다. 넷째, 환황해권 해양관광벨트와 충북 휴양‧힐링 관광벨트를 조성하겠습니다. 서해안 해양 생태를 복원하고, 가로림만 해양정원 조성을 지원하겠습니다.해상교량 건설로 서해안 관광도로망을 완성하겠습니다.서천 브라운필드는 재자연화를 거쳐 생태관광 명소로 탈바꿈시키겠습니다. 서산 부남호와 간월호는 해수 유통 등 역간척 사업으로 생태계를 복원하고, 해양신도시 개발도 함께 지원하겠습니다.금강 하구에 해수를 들여 자연성을 회복할 수 있도록입법과 제도개선으로 뒷받침하겠습니다. 충북 내륙은 휴양·힐링 관광벨트로 발전시키겠습니다.도민의 뜻을 모아 미호강 수질을 개선하고, 청주 ~ 증평 ~ 진천 ~ 음성까지 이어지는 관광·휴양지 조성을 지원하겠습니다.충주호와 단양8경은 호반 관광 ‧ 휴양벨트로 연결하고, 소백산~속리산~장령산~민주지산을 잇는 백두대간 탐방벨트 조성도 지원하겠습니다. 다섯째, 청주공항을 확장하고, 사통팔달 광역 교통망을 구축하겠습니다. 청주국제공항에 민간전용 활주로를 신설해, 중부권 거점공항이 되도록 지원하겠습니다.충남 서산~천안~청주~경북 울진을 잇는중부권 동서횡단철도는 조기에 확정하겠습니다.충북선‧호남선 고속화를 서둘러 X자형 강호축 철도망을 완성하겠습니다. 대전~세종~오송~청주공항을 연결하는충청권 광역급행철도(CTX)는 적기에 착공하고,GTX의 천안‧아산 연장도 신속히 추진하겠습니다. 잠실 또는 동탄에서 청주공항까지 이어지는수도권내륙 광역철도도 빠르게 추진하겠습니다. 우선 사업 대상지로 선정된 대전조차장 부지를 시작으로,대전 도심 철도 지하화를 단계적으로 추진하겠습니다.서해대교 인근 교통정체 해소를 위해 제2 서해대교 건설을 적극 검토하겠습니다. 존경하는 충청권 시민, 도민 여러분!저는 늘 현장에 답이 있다는 신념으로 '가능성'을 '현실'로 만들어 왔습니다.자부심 넘치고 행복한 도시 충청을 만들겠습니다. 4개 시도가 하나 되어 통합경제권을 만들고 함께 성장할 수 있도록 적극 지원하겠습니다.충청이 살면 대한민국이 살 것입니다. 이제부터 진짜 대한민국, 지금은 이재명입니다. 감사합니다. ycy1486@newspim.com 2025-04-17 09:55