전기차의 주행거리가 늘어나고 로봇과 AI 데이터센터 등 다양한 분야로 배터리 활용 범위가 확대되면서 고에너지밀도·고출력 배터리에 대한 수요가 커지고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위한 핵심 소재로 실리콘 계열의 음극재가 주목받고 있다. 

왜 실리콘 계열 음극재인가

음극 소재는 크게 흑연과 실리콘 계열로 나뉜다. 흑연은 안정적인 충·방전 특성과 우수한 수명 특성으로 가장 널리 사용돼 온 음극 소재다. 하지만 에너지밀도 향상 측면에서 한계가 존재한다.

이를 극복하기 위해 최근 실리콘 계열 음극재의 적용이 확대되고 있다. 실리콘은 흑연보다 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있어 목표한 배터리 용량 구현에 필요한 음극재 양을 줄일 수 있다. 따라서 배터리 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있으며, 더 높은 에너지밀도를 구현하는 데 유리하다.

출력 성능 향상 역시 실리콘 계열 음극재의 강점이다. 저장 용량이 큰 실리콘을 사용하면 음극 극판을 더 얇게 설계할 수 있다. 극판이 얇아지면 리튬이온이 이동해야 하는 경로가 짧아져 내부 저항이 감소한다. 이에 따라 출력 향상은 물론 급속 충·방전 성능 개선에도 이점이 있다. 

[실리콘 계열 음극재 사용의 이점]

삼성SDI의 실리콘 음극재 기술 개발 노력

실리콘 계열 음극재는 리튬이온 저장 용량이 큰 반면 충·방전 과정에서 부피가 크게 팽창한다는 한계가 있다. 이러한 팽창은 성능과 수명에 영향을 줄 수 있어 이를 제어하는 것이 핵심 기술로 꼽힌다. 삼성SDI는 이를 위해 다양한 형태의 실리콘 음극재 기술을 개발하고 있다. 

대표적으로 SCN(Si-Carbon-Nanocomposite)은 실리콘을 머리카락 두께의 수천 분의 1 크기로 나노화한 뒤 탄소로 코팅한 소재다. 3세대 SCN까지는 팽창과 전기 저항을 줄이기 위해 흑연을 함께 사용했지만, 최근 개발된 4세대 제품은 입자 구조를 최적화하고 나노 실리콘을 더욱 미세화해 흑연 없이도 팽창을 억제하고 수명 특성을 향상시켰다. 실리콘 함량을 높이면서 저장 용량도 늘렸다.

최근에는 나노 실리콘을 기공이 많은 탄소 입자 내부에 채운 음극재도 개발 중이다. 이 소재는 탄소 입자 내부의 빈 공간이 충·방전 과정에서 발생하는 실리콘의 팽창을 흡수해 구조적 안정성을 높인 것이 특징이다. 이를 통해 장수명을 확보하고 안정적인 성능을 구현할 수 있다.

[실리콘 음극 소재에 저장된 리튬이온]

삼성SDI는 앞으로도 실리콘 음극재를 비롯한 차세대 소재 개발을 통해 배터리 기술 경쟁력을 강화해 나갈 계획이다.