배터리 성능 경쟁이 심화되며 배터리 용량, 출력, 수명 등 전반적인 성능에 영향을 미치는 음극 소재의 중요성이 부각되고 있다. 삼성SDI는 다양한 음극 소재를 적용 중이며, 이 중에서도 독자 개발한 음극 소재인 FSG와 SCN이 주목받고 있다. 두 소재는 특허를 기반으로 기술적 차별성을 인정받았으며, 삼성SDI는 이를 적용한 고성능 배터리를 양산하고 있다. 

천연 흑연과 인조 흑연의 장점을 동시에 구현한 하이브리드 흑연, FSG

삼성SDI는 고에너지 밀도 구현을 목표로 천연 흑연의 성능을 개선한 FSG(Finely Scaly Graphite) 를 개발해 2020년부터 음극 소재로 본격 적용하고 있다.

FSG는 천연 흑연과 인조 흑연의 이점*을 동시에 갖춘 하이브리드 흑연으로, 고에너지 밀도와 장수명, 급속 충전 성능을 확보했다. 이를 위해 천연 흑연의 입자를 미세화하고 내부 구조를 정밀하게 조정하는 공정이 적용됐다.

* 음극에 주로 사용되는 흑연은 천연 흑연과 인조 흑연으로 구분된다. 천연 흑연은 리튬 이온 저장 용량이 높고, 공정성이 우수하며 저온 환경에서 강점을 보인다. 인조 흑연은 수명, 급속 충전에 유리하다는 장점이 있다. 

특히 수명과 급속 충전 성능 향상을 위해 ‘입자 내부 기공 제어 기술’과 ‘입자 구조 설계’가 더해졌다. 흑연 내부 기공에 전해액이 침투할 경우 수명 성능에 악영향을 주기 때문에, 입자 내외부에 카본 코팅 기술을 적용하여 부반응을 억제하고 이를 통해 수명 특성을 개선했다. 아울러, 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있도록 입자 구조를 설계해 급속 충전 성능을 확보했다. 

[천연 흑연과 FSG의 리튬 이온 출입 방향 비교]

삼성SDI는 전기자동차 대중화의 핵심 과제로 꼽히는 충전 시간 개선에 대응하기 위해 2세대 FSG를 개발하여 적용 중이며, 급속 충전 성능을 한층 더 높인 3세대 소재 개발에도 속도를 낼 예정이다.

실리콘 고용량 장점에 안전성·급속 충전 특성까지 더한 실리콘탄소복합체, SCN 

삼성SDI가 개발한 SCN(Si- Carbon-Nanocomposite)은 고용량 구현을 위해 실리콘을 탄소와 복합화한 소재다. 실리콘은 흑연 대비 약 10배 높은 리튬 저장 용량을 가지지만, 팽창률이 크다는 한계가 있다. 삼성SDI는 실리콘을 머리카락 두께의 수천 분의 1 크기로 나노화한 뒤 복합화하는 방식을 통해 팽창 문제를 효과적으로 해결하며, 고용량과 안전성을 동시에 확보했다. 이를 흑연과 혼합해 음극에 적용함으로써, 에너지 밀도를 한층 끌어올렸다.

SCN은 급속 충전에도 유리하다. 단위 무게당 용량이 높은 실리콘을 적용함으로써 음극 극판의 두께가 얇아지고, 이는 리튬이온 이동 경로를 단축하기 때문이다. 또한, 나노화된 입자를 균일 코팅하여 계면 저항*을 낮춘 것도 도움이 됐다.

* 서로 다른 물질이 접촉하며 생기는 공간에서 발생하는 저항

[실리콘 음극 소재에 저장된 리튬이온]

SCN은 세대를 거듭할수록 실리콘 함량 증대와 내부 설계를 통해 용량을 개선하고 있다. 2세대 SCN의 경우 고출력을 우선적으로 고려해 실리콘 함량이 40% 수준이었다면, 현재 개발 중인 4세대 SCN의 경우 에너지 밀도 향상을 위해 실리콘 함량을 60%까지 높였다. 

삼성SDI는 각형 배터리 P6와 원통형 배터리 46파이 배터리 등에 SCN 음극을 채용하며 고에너지밀도, 급속 충전 성능의 제품을 생산하고 있다. 삼성SDI는 앞으로도 고성능 음극 소재를 개발하기 위해 지속적으로 노력할 것이다.