실리콘 음극재
#이차전지 #배터리 #실리콘음극재연관 테마구분: 이차전지
관련기업
산업 개괄
전기차에 있어 주행거리 연장, 충전시간 단축 등이 과제로 떠오르며 급부상한 소재가 ‘실리콘’이다. 실리콘으로 음극재를 만들면 흑연 제품 대비 에너지밀도를 4~10배 정도 높일 수 있다. 충전시간도 압도적으로 단축할 수 있다
단점으로 꼽힌 것은 가격과 안정성이다. [실리콘의 경우 흑연보다 10배 정도 비싸다]. 특히 실리콘에는 부풀어오르는 특성이 있어서 [배터리가 팽창할 우려]가 있다. 현재 기술 수준으로는 그래서 ‘절충안’을 주로 택한다. 흑연 바탕에 실리콘을 5~10% 정도 섞어 음극재를 만드는 것임
실리콘 음극재 시장 개화
- 글로벌 전기차 시장 성장 둔화(연간 전기차 판매 증가율 2021년 109%, 2022년 42%, 2023년 30% 내외 전망) 국면에서 이차전지 섹터 역시 가파른 이익 성장이 희소해지는 시기 진입
- 다만, 시장 개화 초기 단계인 첨가제 영역의 경우 전체[ 전기차 판매 증가 및 해당 첨가제 침투율 상승 국면에서 가파른 이익 증가 시현 가능]할 전망
- 특히, 실리콘 음극재 시장의 경우 TSLA, LG에너지솔루션 등 주요 시장 참여자들이 [주행거리 향상 및 충전시간 단축] 위해 차세대 배터리 컨셉으로 채용 예정인 기술로서, 본격적인 시장 개화 임박했다고 판단
- 따라서, 실리콘 음극재 기술 개요 및 주요 OEM, 셀 메이커들의 준비 상황, 실리콘 음극재 제조 기업별 준비 상황 분석 필요
[주요 전기차 및 배터리 기업들 실리콘 음극재 관련 준비 상황] 1. TSLA - 2021년 ‘실라이온(SiLion)’ 인수. 실라이온에서 개발한 ‘실리콘 입자로 구성된 대형 배터리 음극재’ 특허 출원. 실리콘음극재 기술은 4680 배터리에 적용될 전망 - 테슬라는 2020년 배터리데이에서 원가 절감 목표 제시한 바 있음. 원가 절감 방법으로 양/음극재 원료 효율화 제시. [음극재의 경우 공급 풍부한 실리콘 활용, 실리콘 원재료에 탄성 이온 폴리머 코팅하는 방법 제시] - 테슬라는 자체 생산 라인에서 실리콘 음극재 활용한 4680 배터리 소규모 양산 추진 중 - 향후 파나소닉, LG에너지솔루션 등이 4680 배터리 생산 전망 2. LG에너지솔루션 - TSLA향 4680 배터리를 2023년부터 양산할 예정. 해당 배터리 중 일부 실리콘음극재 적용 계획 3. Volkswagen - 포르쉐 타이칸 EV에 실리콘 음극재 적용 배터리 탑재. 배터리는 LG에너지솔루션 제작, 실리콘음극재는 대주전자재료 공급 - 폭스바겐은 2021년 파워데이에서 [향후 실리콘 음극재 확대 적용 통해 에너지 밀도 높임과 동시에 충전 시간 단축하겠다는 목표 제시]한 바 있음 4. BMW - 2025년부터 ‘뉴 클래스’ 제품군에 차세대 원통형 배터리 46phi 셀 탑재 예정. 해당 셀에는 [실리콘 함량 증가시킨 음극재 적용] 계획 5. LGES-GM - Ultitum Cells - 배터리에 실리콘 음극재 적용하기 위해 GM은 ‘원디 배터리 사이언스(OneD Battery Science)‘와 실리콘 음극재 개발 협력. 2022년 9월 공동 R&D 계약 체결 - 한편, GM은 2025년까지 북미에서 연간 100만대 전기차 생산 능력 확보 목표 - Ultitum Cells 2기 본격 가동되는 2024년부터 실리콘 음극재 적용될 전망 6. SK머티리얼즈 - SK머티리얼즈그룹14은 SK머티리얼즈와 미국 그룹14테크놀리지스의 합작사다. - 양사는 2026년 12월까지 8500억원을 들여 실리콘 음극재 등을 생산한다는 계획을 함께 세웠다. SK㈜ 머티리얼즈는 전기차부터 드론까지 폭넓은 고객을 확보해 실리콘 음극재 사업을 키워나간다는 구상을 갖고 있다. 7. 포스코 - 2022년 7월 [실리콘 음극재 개발 업체 테라테크노스를 인수]하고 포스코실리콘솔루션을 출범시켰다. - 2023년 6월 경북 포항에 실리콘 음극재 1단계 생산설비를 착공한다. 생산과 판매 목표 시점은 2024년이다. 2025년 연 5000톤, 2030년 연 2만5000톤 규모로 생산능력을 확대한다. 연평균 117% 사업을 성장시켜 2030년에는 매출 1조5770억원 규모의 사업으로 키울 계획이다. 8. SKC - SKC는 영국 넥시온에 950억원을 투자한 후 관련 사업을 추진해왔다. 2023년 2분기 중에는 시제품 생산을 위한 투자를 시작한다. - SKC는 최근 실적발표 후 컨퍼런스콜을 통해 “이르면 올해 말에서 늦어도 내년 초에는 실리콘 음극재 양산 투자 계획을 구체적으로 공개할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 9. 한솔케미칼 - 실리콘 음극재 양산 매출 발생 시기 : 2023년 양산 가능 수준이나, 시장 개화 시기에 맞춰 2025년 양산 계획 - CAPA : 현재 Design CAPA 1,500톤. 2024년 중 고객사 확정 시 2024년 하반기 증설 본격화 전망 10. 이녹스 - 이차전지 SiC 실리콘 음극재의 원재료 실리콘 파우더를 생산하는 (주)이녹스에코엠을 종속회사로 보유 11. 포스코케미칼 - 2023년 실리콘음극재 생산라인 완공 계획. SiOx, SiC 모두 준비 중 - 2022년 7월, 실리콘 음극재 기업 ‘테라테크노스(현재, 포스코실리콘솔루션)’ 인수. 테라테크노스는 SiOx 제조 기술 개발해온 기업
산업 기본정보
고용량 고출력을 위해 실리콘 음극재를 채용 할 수 있으나 부피 팽창에 따른 용량감소 문제를 해결하지 못하고 있음
- 전기차 배터리에 요구되는 기술적 과제는 주행거리 향상을 위한 고용량, 배터리 장수명화, 고속 충전인
- 음극재는 충전 속도 및 배터리 수명에 영향을 끼침
- 기존 음극재는 일반적으로 흑연을 사용함
- 흑역은 음극재로 사용할 경우 배터리 충전 시 리튬이온이 양극재에서 음극재로 이동해 흑연 층 사이에 위치 하게됨
- 이 과정에서 발생하는 흑연의 부피 팽창이 배터리 구조 변화 유발하며 배터리 용량 감소의 원인으로 지목되고 있음
- 천연흑연의 부피 팽창 이슈 해결 위해 인조흑연 도입함
- 인조흑연은 섭씨 3,000도의 열처리 과정을 겪기 때문에 안정성 높다는 장점이 있음, 다만 인조흑연 역시 리튬이온 저장 용량의 한계 뚜렷함
- 용량 측면에서, 실리콘은 원자 4개당 리튬이온 15개를 저장(흑연은 6개당 리튬이온 1개)하는 구조를 지녀, 실리콘의 단위 용량은 흑연 대비 약 10배 높음.
- 즉, 실리콘 음극재 채용 시 고용량/고출력 가능하단 의미
- 다만, 실리콘 음극재 역시 부피 팽창 이슈에서 자유롭지 못함
- 배터리 충전 시 흑연 대비 약 4배의 부피 팽창 발생함, 더불어, 배터리 방전 시 기존 형태로 원복되지 않음. 즉, 실리콘 음극재 채용 시 부피 팽창을 어떻게 개선할 것인지가 중요 포인트
- 아직까지 실리콘 음극재 침투율이 낮았던 이유는 양극재만으로도 주행거리 늘릴 수 있었기 때문임
시장전망(트렌드/향후전망)