삼성SDI가 전기차 배터리의 에너지 밀도와 충전 속도라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결하기 위해 차세대 음극 소재 고도화에 속도를 내고 있다. 실리콘 기반 소재와 하이브리드 흑연을 앞세워 고용량·고속 충전·장수명을 갖춘 고성능 배터리로 시장 주도권 확보에 나선 것이다.
26일 삼성SDI에 따르면 회사는 에너지 밀도를 높이기 위해 차세대 음극 소재인 SCN(실리콘-탄소 나노복합체)의 실리콘 함량을 기존(2세대) 40% 수준에서 60%(4세대)까지 높였다. 음극재는 전기차 배터리의 에너지 밀도와 충전 속도, 수명 등에 직접적인 영향을 미친다.
삼성SDI가 개발한 SCN은 고용량 구현을 위해 실리콘을 탄소와 복합화한 소재다. 실리콘은 기존 흑연 대비 약 10배 높은 리튬 저장 용량을 확보할 수 있지만, 충방전시 부피 팽창이 커 소재 안정성과 수명 저하가 한계로 지적됐다.
삼성SDI는 실리콘을 머리카락 굵기의 수천분의 1 크기로 나노화한 뒤 탄소와 복합화하는 방식을 통해 팽창 문제를 효과적으로 해결했다. SCN을 흑연과 혼합해 음극에 적용함으로써 에너지 밀도를 끌어 올리는 동시에 안전성도 확보하게 됐다.
급속 충전 성능도 강화했다. 단위 무게당 용량이 높은 실리콘을 적용함으로써 음극 극판의 두께가 얇아지고, 이는 리튬이온의 이동 경로를 단축해 충전 속도 향상에 기여한다. 균일하게 코팅된 나노 입자 구조도 계면 저항을 줄여 급속 충전 시 전류 흐름을 원활하게 도왔다.
삼성SDI는 현재 SCN 음극을 각형 배터리 P6와 원통형 배터리 46파이 배터리 등에 적용하고 있다. 이를 통해 고용량과 고속 충전을 동시에 구현한 고성능 배터리를 시장에 공급하고 있는 것이다.
또 삼성SDI는 천연 흑연과 인조 흑연의 이점을 동시에 갖춘 하이브리드 흑연인 'FSG(Finely Scaly Graphite)'를 개발해 현재 2세대 제품이 전기차용 배터리에 적용 중이다. 급속 충전 성능을 한층 더 높인 3세대 소재 개발에도 속도를 낼 예정이다.
천연 흑연은 리튬이온의 저장 용량이 높고 제조 공정성이 우수하지만 수명과 급속 충전 성능이 제한되는 반면 인조 흑연은 고속 충전과 수명에 유리하다는 장점이 있다. 삼성SDI는 이 두 가지의 이점을 융합한 FSG를 통해 흑연 음극의 성능 한계를 넘어선 것이다.
핵심은 천연 흑연의 입자를 미세화하고 내부 구조를 정밀하게 조정하는 공정이다. 특히 수명과 급속 충전 성능 향상을 위해 '입자 내부 기공 제어 기술'이 적용됐다.
이는 입자 내외부에 카본 코팅 기술을 적용하여 부반응을 억제한 것으로, 흑연 내부 기공에 전해액이 침투할 경우 수명 성능에 악영향을 주기 때문이다. 여기에 리튬 이온이 빠르게 이동할 수 있도록 입자 구조를 설계해 급속 충전 성능을 확보했다.
삼성SDI 측은 "앞으로도 고성능 음극 소재를 개발하기 위해 지속적으로 노력할 것"이라고 말했다.
