“충전 인프라가 신속하게 갖춰지지 않으면 ‘전기차 혁명’은 중단될 수 있다.”

영국 파이낸셜타임스(FT)는 최근 보도에서 이렇게 경고했다. 전기차 대전환 시대에 전기차 구매가 망설여지는 이유는 분명하다. 여전히 아슬아슬한 주행거리, 여기에 길고 불편한 충전시간도 한몫한다. 이는 배터리 회사들의 다각적인 경쟁을 촉발하는 요인이 되기도 한다. 최근 업계는 주행거리와 관련이 있는 양극재 외에도 충전시간 단축, 배터리 성능 강화 등과 연관된 ‘음극재’ 고도화에 나서고 있다.

음극재는 양극재, 분리막, 전해액과 더불어 배터리 4대 소재다. 대세인 리튬이온배터리는 리튬이온이 양극, 음극을 오가면서 전기 에너지를 발생시킨다. 리튬이온이 양극에서 나와 음극으로 들어가는 것이 충전이다. 음극을 잘 설계해야 배터리의 충전 성능을 높일 수 있는 것이다. 현재 음극재로 가장 많이 활용되는 소재는 흑연이다. 규칙적이고 안정된 구조를 갖추고 있어서다. 다만 에너지 밀도가 낮아 흑연만으로는 음극재의 성능을 고도화하는 데 한계가 있다.

이를 극복할 첫 번째 소재가 바로 실리콘이다. 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높은 실리콘을 쓰면 충전과 방전 속도를 비약적으로 높일 수 있다. 문제는 ‘스웰링’ 현상이다. 실리콘을 첨가하면 배터리 안에서 빵처럼 부풀어 올라 다른 소재들을 망가뜨리는 것을 말한다. 업계는 흑연에 실리콘을 조금씩 첨가하면서 팽창을 막고 음극재 구조를 안정화하기 위한 연구를 진행 중이다. 현재는 실리콘을 5~8% 정도 함유하는 데 그치고 있지만, 기술 개발 시 최대 20%까지도 가능할 것으로 보인다. 업계에 따르면 실리콘 음극재 시장은 2025년 29억 달러(약 3조 5000억원)에 이어 2030년에는 146억 달러까지 성장할 것으로 예상된다.

LG에너지솔루션은 흑연에 실리콘 소재를 첨가하는 기술을 세계 최초로 양산 적용한 회사다. 2019년에 나온 포르쉐 타이칸 전기차에 관련 기술이 적용된 배터리가 탑재됐다. LG엔솔은 실리콘의 팽창을 막아주는 ‘CNT 도전재’라는 것을 첨가해 문제를 해결했다고 한다. 여기에 2018년 세계 최초로 적용한 ‘더블레이어코팅’ 기술도 있다. 전극의 ‘슬러리’(활물질·바인더·첨가제·용매를 혼합한 것)를 코팅하는 기술인데, 이를 통해 음극재를 강화하고 배터리 충전 속도를 개선할 수 있다고 한다. LG엔솔은 음극재 슬러리를 동박에 코팅했다. 현재 급속 충전 기준 20~30분 내에 전기차 완전 충전이 가능한 것은 이 두 기술 덕분이다.

배터리 소재회사들도 실리콘 음극재 경쟁에 사활을 걸고 있다. 동박을 생산하는 SKC는 컨소시엄을 통해 최근 영국의 실리콘 기술기업인 넥세온에 8000만 달러를 투자해 지분과 실리콘 음극재 사업을 확보하기도 했다. 실리콘 음극재 양산을 담당할 회사를 올해 설립할 예정이며 2024년 양산하겠다는 계획이다. 실리콘 음극재의 부피 팽창을 견디는 고강도 동박 기술을 활용해 음극재 비중을 높이는 등 양사의 시너지를 최대한 내겠다는 전략이다. 전통 흑연 음극재 강자인 포스코케미칼도 실리콘 음극재를 개발해 내년 하반기쯤 생산할 것으로 보인다.

일단 실리콘의 함량을 높이는 데 아웅다웅하고는 있지만, 그 이후에 대한 고민도 있다. SK이노베이션에서 독립한 배터리 회사 SK온은 음극재를 흑연이나 실리콘이 아닌 리튬메탈을 채택한 ‘리튬메탈배터리’(LMB)도 장기적인 관점에서 연구하고 있다. 현재 리튬메탈 배터리는 음극에 쌓인 리튬이 바깥으로 나와 화재가 발생할 위험이 있지만, 이를 막아줄 특수 코팅 등 기술들이 앞으로 주목을 받을 것으로 보인다.