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[Tech 스토리] 테슬라가 주목한 전기차 배터리 '음극재'

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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

 

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법원 "노소영에 9440억 지급" 판결 [서울=뉴스핌] 백승은 기자 = 법원이 '세기의 이혼'이라고 불리는 최태원 SK 회장과 노소영 아트센터 나비 관장의 재산분할 소송 파기환송심에서 '최 회장이 재산분할금으로 9440억원을 노 관장에게 지급하라'고 판결했다. 서울고법 가사1부(재판장 이상주)는 24일 최 회장과 노 관장의 재산분할 등 사건 파기환송심 선고기일을 열고 "최 회장은 노 관장에게 9440억원과 판결이 확정된 다음날부터 다 갚는 날까지 연 5% 계산한 돈을 지급하라"고 선고했다. 양측의 법적 다툼이 시작되고 9년 만에 나온 결론이다. 파기환송심에서 가장 큰 쟁점 중 하나는 SK주식을 분할 대상으로 인정할 지 여부와 '재산분할 기준 시점'이었다. 재판부는 최 회장이 보유한 SK주식을 부부 공동재산으로 인정하면서 분할 대상으로 판단했다. 재산분할 비율은 노 관장 3분의 1, 최 회장 3분의 2로 정했다.  다만 재판부는 분할 대상 주식의 가액을 산정하는 시점은 이혼소송의 사실심(항소심) 변론 종결일인 2024년 4월16일, SK 주가가 약 16만원대였을 당시를 기준으로 책정했다. 항소심 변론종결일 이후부터 파기환송심 변론종결일(2026년 6월 26일) 사이 SK주가가 큰 폭으로 상승했는데, 이는 최 회장의 경영적 기여가 영향을 미쳤다고 봤다. 이에 대해 재판부는 "반소피고(최태원)의 보유 주식이 부부공동재산의 큰 비중을 차지하고, 최 회장 보유 주식의 가치 상승에 최 회장의 경영적 기여가 있음을 고려했다"고 했다. 아울러 재판부는 대법원 환송판결과 같이 '노태우 비자금' 300억원은 분할 대상 재산에서 제외했다. 재판부는 "노태우 지원금 300억원은 최 회장 보유 주식의 형성이나 가치 유지에 대한 노소영의 기여나 재산분할비율 산정에서 참작하지 않는다"고 했다. 이번 결정에 따라 최 회장은 노 관장에게 재산분할금 9440억원을 현금으로 지급해야 한다. 아울러 최 회장이 혼인관계 파탄 전 경영권 유지와 경영활동 일환으로 친인척에게 증여한 주식은 분할 대상 재산에서 제외했다.  이날 최 회장 측 법률대리인은 입장문을 통해 "약 20년에 가까운 혼인 해소 과정에서 작년 대법원 판결로 이혼이 확정되었고 오늘 재산분할의 파기환송심 판결이 있었다"라며 "최태원 회장은 지금까지의 과정에서 많은 분들께 심려를 끼친 것에 대하여 송구하게 생각하고 있다"고 했다. 그러면서 "판결에 대한 구체적 입장은 판결문을 면밀히 검토한 뒤 말씀드리겠다"며 재상고 의사를 밝혔다. 노 관장 측은 별다른 입장을 내지 않았다. 한편 두 사람은 지난 1988년 결혼해 세 자녀를 뒀지만 파경을 맞았다. 지난 2015년 최 회장이 혼외 자녀 소식을 언론에 알리고 2017년 7월 이혼 조정을 신청했지만 결렬됐다. 이듬해인 2018년 노 관장을 상대로 이혼소송을 제기하자 노 관장도 이혼에 응하겠다며 2019년 12월 맞소송했다. 이혼 소송 1심 재판부는 2022년 12월 '최 회장이 노 관장에게 재산분할로 현금 665억원과 위자료 1억원을 지급하라'고 판단했지만 양측 모두 불복했다. 이후 2024년 5월 2심 재판부는 최 회장이 보유한 주식회사 SK 지분도 재산분할 대상이라고 보고 재산분할 1조3808억원, 위자료 20억원을 지급하라고 판결했다. 이는 국내 이혼소송 사상 최대 규모다. 노 관장의 아버지인 노태우 전 대통령의 '300억원 비자금'이 SK그룹 성장에 상당 부분 기여한 점, 노 관장의 가사와 자녀 양육 등이 가정에 기여한 부분이 있다고 본 결과다. 지난해 10월 대법원은 위자료 20억원은 확정했지만, 재산분할은 파기환송하고 서울고법에 돌려보냈다. 노 전 대통령의 비자금은 불법 자금이라 노 관장의 기여로 평가할 수 없다고 봤다. 파기환송심 재판부도 이같은 판단을 유지했다.  100wins@newspim.com 2026-07-24 15:11
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국민의힘, 원내대표 멱살잡이 소동 [서울=뉴스핌] 송기욱 기자 = 국민의힘이 후반기 상임위원회 배정을 둘러싼 내부 충돌로 혼란에 휩싸였다. 상임위원회 배정에 항의하는 과정에서 원내대표의 멱살을 잡는 등 혼란이 연출됐다. 정점식 원내대표가 24일 원내대책회의에 불참한 가운데 정희용 사무총장이 공개 비판에 나섰다. 당사자로 지목된 권영진 의원은 이후 입장문을 내고 "이유 여하를 불문하고 무조건 저의 잘못"이라며 사과했다.정 사무총장은 이날 오전 국회에서 열린 원내대책회의에서 "국민들께 부끄럽고 한편으로 동료 의원으로서도 참담한 일이 발생했다"고 밝혔다. 앞서 권영진 의원이 전날 오후 국회 원내대표실을 찾아 상임위 배정 문제를 두고 정 원내대표에게 강하게 항의했다. 이 과정에서 원내대표실 밖 취재진에게 들릴 정도로 고성이 오갔고, 멱살잡이 등 물리적 충돌도 발생했다. 권 의원은 당초 정보위원회 배정을 희망했으나 최종적으로 행정안전위원회 간사로 배정되자 원내지도부에 강하게 반발한 것으로 전해졌다. 상임위 배정 과정에서 의원들의 희망 상임위와 전문성, 선수 등을 반영하는 기준이 충분히 설명되지 않았다는 문제의식도 있었던 것으로 알려졌다. [서울=뉴스핌] 정일구 기자 = 정희용 국민의힘 사무총장이 24일 오전 서울 여의도 국회에서 열린 원내대책회의에서 모두발언을 하고 있다. 2026.07.24 mironj19@newspim.com 정 사무총장은 "상임위 배정에 불만을 품은 의원이 항의하는 과정에서 급기야 한 의원은 원내대표의 멱살을 잡았고, 이를 말리던 전임 원내대표의 멱살까지 잡는 일이 있었다고 한다"고 말했다. 이어 "항의와 물리적 행위는 분명히 구분돼야 한다"며 "폭력은 결코 정당화될 수 없다"고 강조했다.정 사무총장은 "지금 이 순간에도 당원들께서는 훼손된 참정권을 되찾기 위해 거리에서, 현장에서 싸우고 있다"며 "이때 우리 당은 품격과 질서를 무너뜨리는 부끄러운 모습을 보였다"고 했다.그러면서 "당원과 국민 여러분께 실망을 안겨드려 진심으로 송구하다"며 "이번 사태를 엄중하게 받아들이겠다"고 말했다.정 사무총장은 "이런 일이 다시 반복되지 않도록 당의 명예와 품위를 훼손하는 행위에 대해서는 엄정하고 단호하게 대처하겠다"고 밝혔다. [서울=뉴스핌] 장동규 기자 = 정점식 국민의힘 원내대표가 23일 서울 여의도 국회에서 열린 제437회 국회(임시회) 제02차 본회의에서 신동욱 최고위원과 대화하고 있다. 2026.07.23 jk31@newspim.com 그는 회의에 불참한 정 원내대표를 향해서도 "지금 우리 당에는 원내대표님의 리더십이 어느 때보다 절실하다"며 "흔들림 없이 대여 공세를 이끌어 주시기를 부탁드린다"고 했다.국민의힘 사무처 노동조합도 이날 성명을 내고 "항의와 폭력은 다르다"고 비판했다. 노조는 "국민의힘 사무처 노동조합은 원내대표의 멱살을 잡는 등 당내에서 발생한 폭력적 행위에 깊은 유감을 표한다"며 "국민의힘에서 치열한 이견과 항의는 있을 수 있다. 그러나 물리력을 행사하는 폭력은 어떠한 이유로도 정당화될 수 없다"고 밝혔다.이어 "상임위원회 배정에 대한 이견이 있었다면 대화와 당내 절차로 해결했어야 한다"며 "자신의 뜻이 받아들여지지 않았다는 이유로 원내대표의 멱살을 잡는 것은 책임 있는 국회의원의 자세가 아니다"라고 지적했다. 국민의힘 원내부대표단도 입장문을 내고 이번 사태에 대한 엄정 대응을 촉구했다. 원내부대표단은 "국민을 대표하고 민의를 받드는 국회에서, 그것도 당 원내대표의 멱살을 잡는 폭력 사태가 발생한 것은 참담함을 넘어 당의 품격과 국회의 권위를 무너뜨린 전대미문의 오점"이라고 비판했다. 이어 "이를 만류하던 전임 원내대표까지 멱살을 잡았다는 사실은 묵과할 사항이 아니다"라며 "국민의힘 원내부대표단은 이번 사태에 대해 깊은 유감을 표한다"고 밝혔다. 권영진 국민의힘 의원 [사진 = 뉴스핌 DB] 논란이 확산되자 권 의원은 이날 국민의힘 의원들에게 사과 입장문을 보냈다. 권 의원은 "어제 원내대표실에서 행한 저의 언행은 이유 여하를 불문하고 무조건 저의 부족함이고 잘못이었다"고 밝혔다.그는 "이로 인해 정점식 원내대표님께 큰 결례를 범하고, 리더십에 상처를 드렸다"며 "저의 불찰과 잘못을 깊이 반성하고 사과드린다"고 했다.이어 "이 사실을 접하고 실망과 참담함을 느끼셨을 동료 의원님들과 당원 동지들, 그리고 국민들께도 깊이 사과드린다"고 덧붙였다.oneway@newspim.com 2026-07-24 11:55
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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.
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