전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 재계·경영

속보

더보기

[Tech 스토리] 테슬라가 주목한 전기차 배터리 '음극재'

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

에너지 밀도 높이기 위한 양극재로 니켈 사용...기술 한계 봉착
음극재 개발 통해 에너지 밀도↑, 수명연장까지 가능하져
인조흑연 이어 '실리콘' 각광...팽창 최소화 기술이 관건

[편집자주] 기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 최근 전세계 전기차 업계 1위 테슬라가 배터리 데이 행사를 열면서 전기차 배터리 업계는 한창 들썩였습니다. 포스트 반도체로 주목되는 전기차 배터리 시장에 테슬라가 얼마나 영향력을 미치게 될 지에 대한 관심이 높았기 때문이죠.

전기차 배터리는 전기차의 급격한 성장과 맞물려 빠른 성장을 보이고 있습니다. 시장조사업체 IHS마킷이 예상한 전기차 배터리 시장 규모는 오는 2025년 1600억 달러(약 190조원)입니다. 2025년 1490억 달러(약 173조원)로 전망되는 메모리 반도체 시장보다 더 커질 수 있다는 것입니다.

특히 이날 테슬라 발표에서 배터리 업계가 관심을 쏟았던 기술 중 하나는 '실리콘 음극재'였습니다. 많은 배터리 업체들이 양극재의 니켈 비중을 늘려 에너지 밀도를 높여왔지만 한계에 봉착하자 음극재 개발로 영역을 확대하고 있는 추세입니다.

리튬이온 배터리 충방전 원리. [사진=삼성SDI]

◆ 리튬이온, 양극-음극 이동하며 배터리 충방전

음극재를 설명하기에 앞서 전기차 배터리에 사용되는 리튬이온 배터리의 원리와 구성 요소부터 알아보겠습니다.

리튬이온 배터리는 양극', '음극', '분리막', '전해질(전해액)'로 구성돼 있습니다. 양극(+)과 음극(-) 물질의 '산화환원 반응'을 통해 발생하는 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 것이죠.

양극은 리튬(Li)과 산소(O)가 만난 '리튬산화물(Li + O)'로 구성돼 있습니다. 충전 시에는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동하고 방전 시에는 리튬이온이 다시 양극으로 돌아갑니다.

여기서 전해액은 양극과 음극간의 이온 이동을 돕는 매개체 역할을 합니다. 이온은 전해액을 통해 이동하고, 그 동안 전자는 도선으로 이동하게 됩니다. 그러면서 전기가 발생되는 것이죠.

분리막은 전자가 전해액을 통해 직접 흐르지 않도록 양극과 음극을 분리시키는 일을 합니다.

양극과 음극이 배터리 용량, 수명을 좌우한다면 전해질과 분리막은 안전성을 결정짓는 구성요소라고 볼 수 있습니다.

◆ 양극재로 용량 높였지만...수명 단축 막기 어려워

양극은 배터리 특성을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 어떤 양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리 용량과 전압이 결정됩니다. 중요성이 높은 만큼 배터리 원가에서도 차지하는 비중이 높습니다. 양극재는 배터리 원가의 40~45%를, 전기차 가격의 20%를 차지합니다.

현재 대부분의 전기차용 리튬 배터리는 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al)을 배합해 양극 활물질로 사용하고 있습니다.

주로 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등의 조합으로 사용하는데 각 금속의 비율에 따라 특성이 조금씩 다릅니다. 현재는 니켈 함유량을 높여 에너지 밀도를 높이는 방식이 경쟁적으로 사용되고 있습니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 음극재로 사용하는 흑연은 충방전 시 리튬이온 이동으로 팽창하게 돼 수명이 줄어든다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

하지만 리튬이온 배터리의 특성 강화를 위해서는 양극재 만으로는 한계가 있습니다. 에너지 밀도 확대와 충전 시간 단축을 이루는 것이 양극재 개발로만은 어렵다는 것을 확인한 것이죠.

특히 음극재가 개발되지 않고서는 줄어드는 수명을 막기가 어렵습니다. 양극이 아무리 리튬이온을 보낸다 해도 이를 받아들이는 음극 구조가 무너지면 소용이 없는 셈이죠. 

이런 이유로 음극재가 양극재 못지 않게 중요한 소재로 떠오르고 있습니다. 

현재 주로 사용되고 있는 음극재는 흑연(Graphite)입니다. 흑연은 탄소(Carbon)가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조입니다. 아주 규칙적인 구조로 돼 있죠.

흑연을 '아파트'라고 생각하면 쉽습니다. 오랜 시간 충방전으로 리튬이온이 흑연(방)을 들락날락 하게 되면 그 방은 망가져 못쓰게 됩니다.

충전 시 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 흑연 층 사이사이로 들어가는데, 이 때 리튬이온이 들어간 흑연이 팽창 됩니다.

리튬이온이 흑연 층을 왔다 갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명도 미세하게 감소됩니다. 다만 음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성에 문제가 있는 건 아니라고 하네요.

이러한 부피 변화는 용량에도 영향을 미칩니다. 제조사들은 이러한 구조적 변화를 고려해 약간의 여유를 두고 배터리를 설계합니다.

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 배터리 업계는 음극재로 실리콘을 채택하고 있다. [사진=삼성SDI 유튜브 캡처] 2020.09.25 sjh@newspim.com

◆ '실리콘'으로 수명연장+에너지밀도↑

배터리 제조사들은 양극에 맞춰 효율적인 음극을 만들기 위해 단위 부피당 에너지 밀도가 높고 팽창이 되지 않는 소재 개발에 집중하기 시작했습니다.

팽창이 많이 되는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 많이 잡아야 하기 때문에 빈 공간이 많아져 용량이 상대적으로 줄어들게 됩니다. 반면 부피가 덜 팽창하는 음극 소재를 사용하면 여유 공간을 적게 가져갈 수 있어서 보다 높은 용량을 가질 수 있는 것이죠.

이에 음극재로 인조흑연을 많이 사용하는 추세입니다. 초기에 주로 사용했던 천연흑연은 전압이 낮고 더 많이 부풉니다. 반면 인조흑연은 에너지밀도는 유사하지만 소재의 균일성이 높아 충방전 수명이 길어지는 장점이 있습니다. 다만 가격이 천연 흑연보다는 비쌉니다.

인조흑연 사용은 앞으로 더 늘어날 전망입니다. 시장조사업체 SNE 리서치에 따르면 2차전지 음극재 인조흑연 비중은 지난해 53%에서 2025년 60%로 성장이 예상됩니다.

나아가 차세대 소재로 '실리콘(Si)'이 주목받고 있습니다. 흑연이 팽창하지 않도록 하는 코팅 기술이 발전하면서 용량을 더 높이기 위해 흑연에 실리콘을 섞기 시작한 것입니다. 

하지만 실리콘에는 치명적 단점이 있습니다. 바로 '팽창'입니다. 아무리 흑연에 팽창 방지 코팅을 적용했다 하지만 이 것만으로는 부족하기 때문이죠. 실리콘은 흑연 대비 30~40배 이상 팽창합니다. 

그럼에도 실리콘을 선택한 이유는 흑연에 비해 에너지밀도가 약 10배나 높고 충방전 속도도 개선할 수 있다는 데 있습니다. 또한 친환경적이고 지구상에 풍부하게 존재해 흑연을 대체할 고용량 음극소재로 기대되고 있습니다. 

[서울=뉴스핌] 심지혜 기자 = 실리콘 음극재 시장 규모. [자료=하이투자증권] 2020.09.25 sjh@newspim.com

SNE리서치는 지난해 약 3% 비중을 차지했던 실리콘 음극재가 2025년에는 약 11%에 이를 것으로 분석했습니다. 하이투자증권은 음극재 시장 규모가 올해 약 133억원에서 2025년 5조5000억원 규모로 급격히 성장할 것이란 전망을 내놓기도 했습니다.

이에 배터리 업계는 실리콘의 구조를 안정화 시키는 방향의 연구 개발에 공을 들이고 있습니다.

◆ 실리콘 음극재 주목...'팽창' 최소화 관건

국내외 배터리 업체들은 실리콘을 차세대 음극재로 보고 이를 활용한 배터리 개발에 나서고 있습니다.

글로벌 전기차 배터리 1위인 LG화학은 지난해 하반기에 출시된 유럽 전기차에 실리콘 음극재를 적용한 중대형 배터리를 전세계 최초로 공급했습니다.

안정성 문제 해결을 위해 도전제에 탄소나노튜브(CNT)를 혼합해 사용하는 방안도 추진 중입니다. 실리콘 음극재에 CNT 도전제를 적용하면 부피 팽장 문제를 해결하면서도 전자 이동 시간을 줄여 충전시간까지 단축시킬 수 있습니다.

삼성SDI는 '실리콘 카본 나노복합소재(SCN)'라는 독자 기술을 사용하고 있습니다. 실리콘을 머리카락 두께 수 천분의 1 크기인 '나노' 단위로 쪼갠 뒤 이를 흑연과 혼합해 팽창 문제를 해결했습니다.

SK이노베이션도 실리콘을 첨가해 한 번 충전에 700㎞를 주행하고 10분 충전으로 300㎞를 주행할 수 있는 전기차용 음극재를 개발 중입니다.

최근 테슬라도 배터리데이 행사에서 실리콘 음극재를 사용한 배터리를 개발하겠다고 발표했습니다. 또한 테슬라 개발자 출신이 설립한 미국 스타트업 실라 나노테크놀로지스도 이 대열에 참여하고 있습니다. 올해 중국 배터리 회사 ATL에 전자기기용 소형 배터리를, 2023년에는 전기차용 배터리 첫 공급을 목표로 준비 중입니다.

"힘세고 오래가는 건전지"라는 카피라이트가 한 때 유명했었습니다. 그만큼 처음처럼 오래 사용하는 건전지에 대한 시장의 니즈가 크다는 것이죠.

지금의 전기차 배터리에서는 힘세고 오래갈 뿐 아니라 충전 시간까지 짧게 줄이는 것이 핵심입니다. 현재의 단점들을 누가 빨리 개선하느냐가 향후 배터리 시장을 이끌어 갈 것으로 보입니다.

sjh@newspim.com

 

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
도쿄·교토, 숙박세 인상...韓관광객 부담 [서울=뉴스핌] 오영상 기자 = 일본의 대표적 관광지인 도쿄와 교토가 관광객 급증으로 인한 오버투어리즘 대응을 명분으로 숙박세를 대폭 높이면서, 한국을 포함한 외국인 관광객의 일본 여행 비용이 앞으로 크게 올라갈 전망이다.​교토시는 오는 3월부터 숙박세 상한을 현행 1박 기준 최대 1000엔에서 1만엔으로 10배 올리는 계획을 확정했다. 1박 10만엔 이상 고급 호텔에 묵을 경우 1만엔의 숙박세를 별도로 내야 한다. 이는 일본 내 지자체 중에서 가장 높은 수준의 숙박세다.​도쿄도는 현재 1만엔 이상~1만5000엔 미만 100엔, 1만5000엔 이상 200엔을 부과하는 정액제에서, 숙박 요금의 3%를 매기는 정률제로 전환하는 개편안을 마련해 2027년 도입할 방침이다.​​정률제가 도입되면 1박 5만엔 객실의 경우 지금은 200엔만 내지만, 개편 뒤에는 1500엔으로 세 부담이 7배 이상 뛰게 된다. 숙박세 인상은 특히 외국인 관광객들이 많이 찾는 인기 도시를 중심으로 확대되는 양상이다. 니혼게이자이신문에 따르면 일본 내 100여 곳의 지자체가 새로운 숙박세 도입을 검토하거나 이미 도입을 확정했다. ​일본 정부 역시 국제관광여객세(출국세)를 현행 1000엔에서 3000엔 이상으로 올리는 방안을 검토하는 등, 전반적으로 관광 관련 세금을 손보는 흐름이다. 일본 도쿄 츠키지 시장의 한 가게에서 외국인 관광객들이 음식을 먹고 있다. [사진=로이터 뉴스핌] ◆ 韓관광객, 日 여행 체감 비용 '확실히' 오른다 한국은 일본 방문객 수 1위 시장으로, 일본 관광세 인상은 곧바로 한국인의 일본 여행 비용 상승으로 이어질 가능성이 크다. 예를 들어 1박 2만엔의 중급 호텔에 3박을 하는 가족여행의 경우, 도쿄도가 3% 정률제로 바뀌면 숙박세만 600엔 수준에서 7200엔 수준으로 불어난다는 계산이 나온다.​교토시의 경우 10만엔 이상 고급 숙박시설을 이용하는 '프리미엄 여행' 수요층에는 1박당 1만엔의 세금이 추가되면서 사실상 가격 인상 효과가 발생한다.​여기에 출국세 인상까지 더해지면 항공권, 숙박, 관광세를 모두 합친 일본 여행 체감 비용 증가 폭이 적지 않을 전망이다. goldendog@newspim.com 2026-01-09 11:01
사진
신분당선 집값 5년 새 30% '쑥' [서울=뉴스핌] 송현도 기자 = 경기도 내 신분당선 역 주변 아파트 가격이 최근 5년간 30% 넘게 오른 것을 나타났다. 강남과 판교 등 핵심 업무지구로의 접근성이 집값 상승을 견인하며 수도권 남부의 '서울 생활권 편입' 효과를 누리고 있다는 분석이다. 9일 부동산시장 분석업체 부동산인포가 KB부동산 시세를 분석한 결과, 지난 2020년 12월부터 2025년 12월까지 최근 5년 동안 용인, 성남, 수원 등 경기도 내 신분당선 역세권 아파트(도보 이용 가능 대표 단지 기준) 매매가는 30.2% 상승했다. 이는 같은 기간 경기도 아파트 평균 상승률인 17.4%를 크게 웃도는 수치다. [사진=더피알] 단지별로는 분당구 미금역 인근 '청솔마을'(전용 84㎡)이 2020년 12월 11억 원에서 2025년 12월 17억 원으로 54.5% 급등했다. 정자역 '우성아파트'(전용 129㎡) 역시 16억 원에서 25억 1500만 원으로 57.1% 뛰었다. 판교역 '판교푸르지오그랑블'(전용 117㎡)은 같은 기간 25억 7500만 원에서 38억 원으로 47.5% 올랐으며, 수지구청역 인근 '수지한국'(전용 84㎡)도 7억 2000만 원에서 8억 8000만 원으로 22.2% 상승하며 오름세를 보였다. 이러한 상승세는 신분당선이 강남과 판교라는 대한민국 산업의 양대 축을 직결한다는 점이 주효했다고 판단했다. 고소득 직장인 수요층에게 '시간'이 중요한 자산으로 인식되는 만큼, 강남까지의 출퇴근 시간을 획기적으로 단축해 주는 노선의 가치가 집값에 반영됐다는 평가다. 여기에 수지, 분당, 광교 등 노선이 지나는 지역의 우수한 학군과 생활 인프라도 시너지를 냈다. 권일 부동산인포 리서치팀장은 "신분당선은 주요 업무지구를 직접 연결하는 대체 불가능한 노선으로 자리매김해 자산 가치 상승세가 지속될 가능성이 높다"고 전망했다. 신분당선 역세권 신규 공급이 드물다는 점도 희소성을 높이는 요인이다. 대부분 개발이 완료된 도심 지역이라 신규 부지가 제한적이기 때문이다. 실제로 2019년 입주한 성복역 '성복역 롯데캐슬 골드타운'이 역 주변 마지막 분양 단지로 꼽힌다. 이 단지 전용 84㎡는 지난해 12월 15억 7500만 원에 거래되며 신고가를 경신했다. 이에 따라 신규 분양 단지에 대한 관심이 모인다. GS건설이 용인 수지구 풍덕천동에 시공하는 '수지자이 에디시온'(총 480가구)은 오는 19일부터 21일까지 당첨자 계약을 진행한다. 지역 공인중개업소 관계자는 "신분당선을 걸어서 이용할 수 있는 보기 드문 신축이라 대기 수요가 많다"며 "수지구 내 갈아타기 수요는 물론 판교나 강남 출퇴근 수요까지 몰리고 있어 시세 차익 기대감도 높다"고 전했다. dosong@newspim.com 2026-01-09 10:10
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동