포르쉐 전기차 타이칸, 대주전자재료의 실리콘 음극재가 적용된 배터리가 탑재됐다. / 사진=포르쉐
포르쉐 전기차 타이칸, 대주전자재료의 실리콘 음극재가 적용된 배터리가 탑재됐다. / 사진=포르쉐
전기차의 주행 거리를 높일 '꿈의 소재'로 음극재에 실리콘(Si)을 첨가한 실리콘 음극재가 주목받고 있다. 기존 음극재 소재인 흑연 비중을 줄이고 실리콘을 사용하면 배터리 효율을 비약적으로 높일 수 있어서다. '배터리의 미래'라는 평가까지 나오면서 대기업은 물론 중견·중소기업들도 앞다퉈 연구개발(R&D)에 속도를 내고 있다.

대기업은 물론 중견·중소기업도 앞다퉈 R&D

6일 배터리업계에 따르면 대주전자재료, 한솔케미칼, 동진쎄미켐, 엘피엔, 엠케이전자 등 중소·중견기업과 LG화학, 포스코케미칼, SKC 등 대기업까지 실리콘 음극재 시장에 손을 뻗고 있다. 국내 기업 중 상용화에 성공한 곳은 대주전자재료가 유일하다.

대주전자재료는 실리콘 함량 5% 수준의 1세대 실리콘 음극재를 양산해 LG에너지솔루션에 납품하고 있다. 연산 2000t 규모의 실리콘 음극재 복합산화물(DMSO) 생산라인을 내년 말까지 1만t으로 확대하겠다는 목표도 세웠다. 경기도 시흥의 기존 공장 신축을 위한 569억원의 투자와 새만금국가산업단지에 신공장 건립을 위한 268억원의 추가 투자도 결의했다. 회사 측은 "이차전지용 실리콘 음극재, 원재료 및 연관 소재 생산 부지 확보를 위한 것"이라고 밝혔다. 앞으로 총 투자 규모는 3000억원이 넘을 것으로 예상된다.

대주전자재료는 2027년까지 7% 함량의 2세대 실리콘 음극재를 생산한다는 계획을 세웠다. 글로벌 점유율 50%인 중국 BTR, 30%인 일본 신에쓰에 이어 10%의 점유율을 확보한 것으로 추정되는 대주전자재료는 2세대 양산을 통해 경쟁사들을 앞서 나가겠다는 방침이다. 최근 3개월간 대주전자재료 주가는 7만5000원에서 9만원 사이 박스권을 오가고 있지만 올 들어선 23%가량 올랐다.
대주전자재료 로고
대주전자재료 로고
대두전자재료 외에도 적잖은 중소·중견기업이 실리콘 음극재 시장에 도전하고 있다. 한국메탈실리콘(KMS)은 흑연을 쓰지 않고 실리콘으로만 구성된 '퓨어실리콘' 음극활물질 신공장을 완공하고 글로벌 전기차 배터리 시장 공략에 나섰다. 한솔케미칼과 동진쎄미켐, 엘피엔, 엠케이전자도 관련 시장으로 발을 넓히고 있다.

대기업에선 LG화학이 2025년까지 전지 소재 부문 육성에 6조원을 투자한다고 밝혔다. LG화학 역시 퓨어실리콘을 개발 중이어서 성공 여부에 관심이 집중되고 있다. SKC는 지난해 1월 영국 실리콘 음극재 기업 넥세온에 8000만달러(한화 약 990억원)를 투자해 글로벌 사업권을 확보했다. 두 회사가 공동 개발한 실리콘 음극재는 현재 SK온 배터리에 테스트 중인 것으로 알려졌다. SKC는 실리콘 음극재를 대량 양산할 공장도 설립한다. 포스코케미칼은 올해 실리콘 음극재 생산라인 구축에 박차를 가할 예정이다. 포스코홀딩스는 지난해 7월 실리콘 음극재 기업 '테라테크노스'를 인수하고 포스코실리콘솔루션으로 사명을 변경했다.

배터리 효율 및 생산성 두마리 토끼 잡는다

기업들이 실리콘 음극재에 공을 들이는 이유는 실리콘이 생산성과 배터리 효율을 향상시키기 때문이다. 양극재, 분리막, 전해질과 함께 배터리를 구성하는 4대 핵심 요소인 음극재는 에너지를 저장했다가 방출하는 역할을 하기 때문에 배터리 수명과 충전 시간을 좌우한다. 이 음극재의 주 소재가 흑연이다. 현재 리튬이온 전지에 대부분 사용되고 있는 흑연은 전기차 보급 확대로 몸값이 급등한 상황이다. 업계에서는 t당 800달러(98만원) 수준인 흑연 가격이 2025년에는 1000달러를 넘어설 것으로 전망하고 있다.

흑연의 중국 의존 심화도 잠재적 위험 요소다. 지난해 세계 흑연 생산량 중 82%를 중국 기업이 차지했다. 흑연 대체재 개발은 수입 전량을 중국에 의존하고 있는 국내 실정에 비춰볼 때 반드시 해소해야 할 숙제로 꼽힌다.
대주전자재료의 실리콘 음극재 복합산화물(DMSO) 이미지 / 사진=대주전자재료
대주전자재료의 실리콘 음극재 복합산화물(DMSO) 이미지 / 사진=대주전자재료
용량을 늘릴 수 있다는 점은 가장 큰 개발 요인이다. 흑연으로 만든 음극재는 충전 시 리튬이온이 흑연 층 사이로 침투하면서 해당 층이 늘어난다는 약점을 지녔다. 이는 구조 변화를 일으켜 용량 저하의 고질적인 문제점으로 지적됐다. 실리콘 음극재는 흑연 음극재보다 에너지 밀도를 4배 정도 높일 수 있어 전기차 주행거리 향상은 물론 충전시간을 단축시킬 수 있는 '배터리의 미래'로 평가받는다.

전망도 밝다. 시장조사기관 SNE리서치는 2019년 4억달러였던 실리콘 음극재 시장이 2025년 29억달러, 2030년 146억달러로 성장할 것으로 내다봤다. 전체 음극재 시장에서 비중도 2019년 3%에서 2025년 11%로 확대될 전망이다.

김동원 KB증권 연구원은 "현재 실리콘 음극재를 사용하는 전기차는 포르쉐 타이칸이 대표적이지만 폭스바겐, GM, 테슬라, 애플 등도 적용할 것으로 예상된다"며 "실리콘 음극재를 적용한 전기차 모델이 계속 나오면서 향후 배터리의 표준화를 주도할 것으로 보인다"고 말했다.

배터리 업계 관계자는 "흑연 음극재는 중국과 일본이 장악했지만 차세대 소재인 실리콘 음극재는 이제 막 열린 시장이기 때문에 국내 업체의 선점이 중요하다"며 "안보 측면에서도 실리콘 음극재의 가치는 더 높아질 것"이라고 말했다.

강경주 기자 qurasoha@hankyung.com