[비즈니스포스트] 최주선 삼성SDI 대표이사 사장이 미래 시장 선점을 위해 리튬메탈 음극재 개발에 속도를 내고 있다.

리튬메탈 음극재는 기존 흑연 음극재보다 성능이 월등해 차세대 제품으로 꼽힌다. 다만 낮은 수명과 안정성이 문제로 지적되는데 최근 삼성SDI는 문제를 해결할 실마리를 찾으며 상용화 시점을 앞당기고 있다.
 

리튬메탈 음극재는 중국산 의존도가 높은 흑연을 사용하지 않아 중국의 흑연 수출 통제 정책으로부터도 자유롭다는 장점이 있다.

최 대표는 이를 앞세워 리튬이온 배터리 시장부터 향후 전고체 배터리 시장까지 선도해 나갈 것으로 예상된다.

18일 배터리 업계 취재를 종합하면 전 세계 배터리 시장에서 음극재의 중요성이 점차 확대될 것이라는 관측이 나온다.

현재 삼원계 리튬이온 배터리는 이론상 최대 용량에 이른 것으로 평가되고 있다. 하이니켈(니켈 함량 80% 이상)을 넘어 울트라 하이니켈(니켈 함량 90% 이상) 배터리가 상용화된 시점에서 더 이상 양극재만으로 성능 격차를 확보하긴 어려운 것이다.

이에 배터리 기업들은 전고체 배터리와 더불어 차세대 음극재 개발을 통한 기술 격차를 꾀하고 있다. 다양한 제품 가운데 최 대표가 주목한 것은 리튬메탈 음극재다.

기존 흑연 음극재를 사용한 배터리는 리튬이온이 흑연층 사이에 삽입되는 반응을 기반으로 작동한다. 반면 리튬메탈을 음극재로 활용하면 별도의 음극 활물질을 사용하지 않아 리튬이온 저장 용량이 훨씬 크고, 반응 구조가 단순해 충전 시간도 크게 절약할 수 있다.

또 흑연이 필요하지 않아 중국산 흑연 의존도 문제를 해소할 수 있다. 현재 국내 배터리 기업들은 음극재 생산에 필요한 흑연의 90% 이상을 중국에서 수입하고 있는 것으로 추산된다.

또 다른 차세대 제품으로 실리콘 음극재도 개발하고 있으나, 충·방전을 반복하면 팽창하는 문제가 있으며 흑연이 필수적으로 사용된다는 점이 문제로 지적된다. 

리튬메탈 음극재 상용화에는 ‘덴드라이트’ 현상이 가장 큰 기술적 난제로 꼽힌다.

리튬메탈 음극재는 충·방전 과정에서 표면이 불균일하게 반응하며 나뭇가지 형태의 결정체인 덴드라이트가 형성된다. 이는 전극 손상, 리튬 손실, 단락 등으로 이어져 배터리의 수명 저하와 안전성 문제를 유발할 수 있다.
 

최 대표는 이런 문제를 해결하기 위해 학계와 협력하고 있다.

최근 삼성SDI는 한양대 연구진과 리튬메탈 음극재를 탑재한 배터리의 수명과 구조적 안전성을 높이는 기술을 개발했다고 밝혔다.

공동 연구진은 니트릴부타디엔고무(NBR), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 리튬이 도입된 실리카(Li–SiO₂) 나노입자를 결합한 전기방사 나노섬유 중간층을 개발했다. 이를 활용하면 리튬이온의 흐름을 균일하게 조절할 수 있으며, 리튬의 석출·용출 과정에서 발생하는 부피 변화를 흡수할 수 있다.

지난 2월에는 미국 컬럼비아대와 공동 연구를 통해 불소 기반 젤 고분자 전해질을 활용한 덴드라이트 억제 기술도 개발했다.

리튬메탈 음극재의 이론 용량은 1그램(g)당 3860밀리암페어시(mAh) 수준이다. 흑연 음극재(372mAh/g)에 비해 10배 이상 높은 수치다. 

이에 따라 리튬메탈 음극재를 사용하면 기존 흑연 음극재를 사용한 배터리 대비 1.5~2배 높은 에너지밀도를 구현할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

현재 가장 높은 에너지밀도를 보유한 삼원계 배터리가 리터당 700와트시(Wh) 수준이라는 점을 고려하면 최대 1400Wh/L까지 에너지밀도를 끌어올릴 수 있는 것이다. 

다만 양산에 들어가기까지는 시간이 다소 필요한 것으로 파악된다.

삼성SDI 관계자는 비즈니스포스트와 통화에서 “현재 리튬메탈 음극재 관련 연구개발을 진행하고 있으나, 구체적인 생산 시점은 정해진 것이 없다”고 말했다.

리튬메탈 음극재는 향후 삼성SDI의 전고체 배터리에 적용될 가능성도 있다. 최 사장은 전고체 배터리를 미래 전략의 핵심으로 낙점하고, 2027년 하반기부터 900Wh/L 수준의 성능을 갖춘 전고체 배터리 생산을 시작한다.

배터리 업계 관계자는 비즈니스포스트와 통화에서 “삼원계 배터리에 리튬메탈 음극재를 활용하면 전고체 배터리만큼 높은 에너지밀도 구현이 가능하다”며 “전고체 배터리에 리튬메탈 음극재를 탑재하는 방안도 장기적으로 추진할 수 있다”고 말했다.

이어 “그러나 아직까지 리튬메탈 음극재를 사용한 전고체 배터리는 장기 목표로만 제시된 상황”이라고 덧붙였다. 최재원 기자