전기차 시장 성장이 가속화하는 가운데 배터리 성능과 재료비를 좌지우지하는 음극재 시장도 활발하게 움직이고 있다. 음극재는 배터리 재료비 원가 비중의 14%가량을 차지하고 있어 고용량 배터리를 개발하기 위해서는 음극 소재의 개발도 필수로 여겨지고 있다.

◆ 음극재 개발은 '필연'

31일 업계에 따르면 전기차 배터리 시장은 2030년까지 23배 성장하고, 2035년 6160억 달러 규모로 예상되는 미래 성장 산업으로 배터리 소재 산업들 역시 비례해서 성장할 것으로 예측된다.

그 중 배터리 성능을 결정하는 음극재의 경우는 국내 소재기업들이 공급망 다변화와 미래 먹거리 확보를 위해 적극 투자하는 분야이기도 하다. 또한 음극재 개발은 미국 인플레이션 감축법(IRA)에 대비를 위해서라도 투자를 멈출 수 없는 상황이다.

SNE리서치에 따르면 지난해 기준 음극재 시장에서 중국이 84%의 비중을 차지하고 있다. 완성차·배터리 업체들이 IRA 전기차 보조금을 받기 위해서는 중국산 음극재를 대신할 수 있는 공급처를 찾아야 한다. 이로인해 소재 수출 측면에서도 중국 외 음극재를 찾는 수요가 늘어날 전망이다.

◆ 고용량 배터리 위한 '실리콘 음극재' 개발

음극재는 양극에서 나온 리튬이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 하는 소재다. 충전 시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 들어가면서 흑연이 팽창해 부피가 늘어나는 원리다.

결국 전기차를 사용할수록 내부의 흑연이 변화를 일으켜 배터리 용량을 떨어뜨리는 원인으로 작용하게 된다.

시장에서는 '실리콘'이 흑연의 대체재로 배터리 충전 속도와 출력을 향상시켜줄 것으로 기대하고 있다. 배터리 업계에서는 실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재보다 에너지 밀도가 10배 이상 높아 배터리 충전 속도와 출력을 크게 향상시킬 수 있는 미래 소재로 보고 있다. 실리콘 1g당 용량은 최대 4200㎃h/g이고 흑연 음극은 370㎃h/g 정도를 보유하고 있다.

물론 실리콘도 충·방전을 반복하면 부피가 팽창한다. 현재 흑연계 음극재에 첨가할 수 있는 최대 실리콘 함량은 10% 이하로 실리콘 함량을 늘리는 동시에 안정성을 높이는 것이 업계의 과제로 꼽힌다.

국내 기업들도 이런 실리콘 음극재 개발에 열을 올리는 중이다. 국내에서는 포스코퓨처엠과 포스코실리콘솔루션, SK머티리얼즈, SKC, LG화학 등이 실리콘 음극재 시장에 도전 중이다.

포스코퓨처엠은 2026년까지 음극재 생산량을 연간 21만8000톤(t)까지 늘리고 실리콘 음극재를 6000톤을 생산할 계획이다. 포스코실리콘솔루션도 오는 2025년까지 3000억원을 투자해 포항 영일만산업단지에 연산 5000t 규모의 실리콘음극재 공장을 건설할 예정으로 알려졌다.

SKC는 2032년까지 글로벌 실리콘 음극재 시장에서 15% 이상의 점유율을 차지하겠다고 공언했으며, SK머티리얼즈는 실리콘 음극재 관련 기술 및 특허를 보유한 미국 'Group14'와 합작사 'SK머티리얼즈 그룹14'를 설립하고 배터리 소재사업에 진출해 실리콘 음극재를 연구한다.

롯데에너지머티리얼즈는 고성능 실리콘 음극재 개발에 박차를 가한다는 계획이다. 실리콘 음극재 기술을 보유한 프랑스 스타트업 엔와이어즈와 지난 14일 지분투자계약을 맺고 79억원을 출자하기로 했다.

LG화학은 100% 실리콘으로 만들어진 음극재인 '퓨어 실리콘' 음극재 개발에 착수한 상태다.

업계 관계자는 "실리콘 음극재 시장이 2025년에는 11%가량 성장할 것으로 예상하고 있다"면서도 "실리콘도 팽창하는 것은 마찬가지기 때문에 실리콘 구조 안정화를 위한 연구가 더 필요하고, 흑연을 대체한다고는 하지만 실리콘 가격이 비싸기 때문에 적극적인 상용화에는 시간이 걸릴 것"이라고 말했다.