급격한 시장 확대가 진행되고 있는 전기차용 배터리의 기술경쟁력을 지속적으로 유지하기 위해서는 고성능화의 가장 핵심 소재인 실리콘계 음극 소재 기술의 고도화가 필요 ★ 최근 들어 전 세계적 다수 기업이 마지막으로 남아있는 리튬이온전지 사업 분야로 인식하고 이에 진출하고자 하는 분야로, 국내에서도 다수의 기업이 높은 수준의 기술 확보 및 시장 점유율을 확보하고자 노력하고 있음 ★ 실리콘계 소재 및 이를 포함하는 음극판의 고용량, 높은 초기효율, 그리고 부피팽창 억제를 위한 제품 개발이 진행되고 있으며, 수요기업인 전지 3사와의 기술적, 산업적 협력이 활발히 진행되고 있음 ★ 그러나, 특히 중국업체의 원가경쟁력, 규모의 경제, 내수시장의 확대 등으로 인해 시장 선점에 위협을 받고 있어, 이를 극복하기 위해 차별화된 소재 성능 및 가격 경쟁력 확보를 진행 중임 시사점 및 정책 제안 ★ 국내 실리콘계 음극 소재 산업에서 높은 기술력을 확보하고 이를 확장할 수 있는 기술개발 과제 지원과 더불어, 실제 관련 산업 지원을 위한 정책적 지원을 발굴할 필요가 높음 ★ 양극 소재 산업과는 달리, 현재의 흑연 음극 소재는 많은 부분 수입에 의존하고 있음. 따라서, 실리콘계 소재와 같은 미래 신규 음극 소재의 원자재의 안정적 조달을 위한 범정부 차원에서의 선제적 지원책 발굴이 절실 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology | 41 ISSUE3 고성능 리튬이차전지의 실리콘계 음극소재 기술 1. 전기차 배터리용 고용량 음극 소재 필요성 실리콘 음극 소재 적용을 통한 리튬이온전지의 고에너지밀도화 ★ 전기차의 폭발적인 성장에 발맞춰 내연기관 자동차와 동등한 수준의 주행거리 확보를 위해 고에너지밀도를 구현할 수 있는 고용량 전극 소재에 대한 연구개발이 활발히 진행 중 ★ 현재 상용화된 리튬이온전지의 주된 음극 소재는 흑연으로 이를 통해 약 280Wh/kg의 에너지밀도를 구현하고 있으나, 이는 흑연 음극 소재를 통해 얻을 수 있는 한계치에 해당하기 때문에, 이를 극복하기 위해 실리콘계 소재가 오랜 시간을 거쳐 현재까지 활발히 연구되고 있으며, 현재는 음극판에 SiOx 또는 Si/C 복합체 등이 소량 첨가되어(5% 미만) 약 300Wh/kg의 에너지밀도를 구현하고 있음 - 하지만, 이 이상의 고에너지밀도 요구에 대응하기 위해서는 추가적인 실리콘 소재 및 이를 적용한 음극판 설계에 대한 기술개발이 매우 필요한 상황임 | 그림 1. 리튬이차전지 고에너지밀도 로드맵 및 실리콘 소재 적용 [1] | 실리콘 음극 소재 기본 특성 및 종류 ★ 흑연의 용량(372mAh/g)을 능가하는 음극 소재는 다양하게 존재하나, 그 중 실리콘(Si)은 약 3,600mAh/g의 고용량과 비교적 낮은 전위(~0.45 V vs. Li/Li+)에서 리튬이 방출되는 장점으로 인해 현재의 흑연을 보완 또는 대체할 수 있는 가장 유망한 소재로 받아들여지고 있음