전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이

[Tech 스토리] 테슬라가 주목한 전기차 배터리 '음극재'

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

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

 

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
누리호, 오늘 낮 12시25분 5차 발사 확정 [세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국형 발사체 누리호의 5차 발사가 오늘 낮 12시25분으로 확정됐다. 우주항공청과 한국항공우주연구원은 7일 오전 8시 누리호 5차 발사 시각 확정을 위한 '누리호 발사관리위원회'을 열고 이같이 결정했다. 위원회는 주탑재위성인 초소형군집위성 5기의 목표 궤도 진입을 목표로, 누리호의 기술적 준비 상황, 기상 상황, 우주 환경, 우주물체와의 충돌 가능성 등을 종합적으로 검토해 이날 낮 12시25분에 누리호 발사를 최종 결정했다. 7일 오전 누리호가 나로우주센터 제2발사대에 기립해 발사 준비를 하고 있다. [사진=항공우주연구원] 2026.10.07 biggerthanseoul@newspim.com biggerthanseoul@newspim.com 2026-10-07 09:17
사진
BIFF 개막작 김종관 감독 "사소함의 가치 인정 감사" [부산=뉴스핌] 양진영 기자 = 제 31회 부산국제영화제가 김종관 감독의 '낮과 밤은 서로에게'로 문을 열었다. 올 상반기 활기를 띠던 극장가도 잠시, 최근 의도치않게 사회적 논란이 된 작품으로 혼란스러운 중에 영화제는 묵묵히 제 자리를 지키고 있다. 6일 부산 영화의전당 중극장에서 부산국제영화제 개막작 '낮과 밤은 서로에게'의 기자시사회가 열렸다. 상영 이후 김종관 감독, 배우 김민하, 주종혁, 한선화, 장률, 심은경, 전소영, 김동휘가 참석해 공식 기자회견에서 취재진과 개막작 선정 소감을 나눴다. [부산=뉴스핌] 김예원 기자 = 김종관 감독, 배우 김민하, 주종혁, 한선화, 장률, 심은경, 전소영, 김동휘(왼쪽부터)가 6일 오후 부산 해운대구 영화의전당 중극장에서 열린 '제31회 부산국제영화제(BIFF)' 개막작 '낮과 밤은 서로에게' 기자회견에서 포즈를 취하고 있다. 2026.10.06 yeawon2@newspim.com '낮과 밤은 서로에게'는 네 편의 옴니버스식 서사를 엮은 영화로, 한 카페를 배경 삼아 여러 관계의 사람들의 일상과 대화를 들여다본다. 다른 시간대 카페에 머문 유진(김민하)과 현오(주종혁)가 잠시 마주치고, 중학교 시절 친구인 상미(한선화)와 영민(장률)은 느닷없이 당황스러운 재회를 하게 된다. 웹소설 작가 혜진(심은경)의 다소 당황스러운 소설 작법과 영화감독 동남(이희준)의 열정까지. 일상적이면서도 평범한 사람들에 대한 애정을 담은 감독의 시선이 느껴진다. 이날 김종관 감독은 "같은 작업을 오랫동안 해오면서 단련이 됐다고 생각하는데 또 떨린다"면서 부산국제영화제의 개막작으로 선정돼 남다른 소회를 밝혔다. 그러면서 "저희 영화는 보셔서 아시겠지만 좀 작고 사소함에 대한 이야기, 거기에 있는 의미, 아름다움에 대한 것들을 좀 집중한 영화라고 생각한다. 처음에 현오가 시계를 본다. 시계의 작은 세계에 집중해서 그 안에서 아름다움을 발견하는 것 같이 우리 영화도 일반적인 영화의 서사 구조와 달리 4개의 대화만 있다. 대화라는 하나의 단면을 확대해서 보면서 사람들이 어디서 왔고 어디로 흘러갈 건지 상상하게 하고 그 다음을 그릴 수 있는 영화가 되길 바랐다"고 영화의 기획 의도를 얘기했다. [부산=뉴스핌] 김예원 기자 = 김종관 감독이 6일 오후 부산 해운대구 영화의전당 중극장에서 열린 '제31회 부산국제영화제(BIFF)' 개막작 '낮과 밤은 서로에게' 기자회견에서 인사말을 전하고 있다. 2026.10.06 yeawon2@newspim.com 또 김 감독은 "이번 작품도 제가 문학 같은데서도 봤었던 찰나의 순간에 대한 묘사다. 어떻게 보면 그게 삶의 다양한 부분을 얘기하는 것처럼도 느껴질 때가 있다. 그런 이야기의 힘이 있었으면 좋겠고 관객분들하고 그런 깊은 관계가 생기는 영화였으면 좋겠다고 항상 생각했다. 세계적인 위상이 있는 영화제에서 개막작으로 초청돼 이 영화가 말하고자 하는 작고 사소함을 중요하게 여기고 손을 들어준 것 같아 감사한 마음"이라고 말했다. 유진 역을 맡은 김민하는 "토론토에서 촬영 중에 대본을 받았다. 어릴 때부터 감독님의 오랜 팬이었다. 정말 꿈만 같았다. 어릴 때부터 GV도 따라다니고 영화도 정말 많이 봤다. 글을 읽고 문자를 바로 보냈던 기억이 난다. 누군가의 일기장을 읽는 것 같다, 이런 글을 선물해주셔서 감사드린다고 말씀드렸었다. 우연히도 촬영 날이 제 생일이기도 했다. 이 영화를 통해 총 3번의 선물을 받은 것 같다"고 기뻐했다. [부산=뉴스핌] 김예원 기자 = 배우 김민하가 6일 오후 부산 해운대구 영화의전당 중극장에서 열린 '제31회 부산국제영화제(BIFF)' 개막작 '낮과 밤은 서로에게' 기자회견에서 인사말을 전하고 있다. 2026.10.06 yeawon2@newspim.com 주종혁은 "감독님은 최고의 리스너"라면서 "제 속의 얘길 다 하고 싶을 정도로 공감도 많이 해 주시고 대본을 주시면 그 얘기, 삶에 대한 얘기도 많이 나누면서 촬영하면서 정말 편하게 했다. 워낙 자유롭게 하게 해주셔서 감독님을 의지하게 되기도 한다. 김민하 배우님이 숨쉬듯이 연기한다는 말씀도 해주셔서 그런 톤을 맞춰보고 싶어서 연구를 해보기도 하면서 재밌게 촬영했다"고 말했다. 상미 역의 한선화는 "김민하 배우가 선물 얘기를 하니, 오늘이 제 생일이다"라면서 환하게 웃었다. 그러면서 "고향인 부산에서, 정말 사랑하는 부산국제영화제에서 개막작으로 만나게 돼 정말 영광스럽고 감독님 작품으로 선물을 받게 돼 행복하다. 영화가 너무 기대된다"고 상기된 소감을 얘기했다. [부산=뉴스핌] 김예원 기자 = 배우 한선화가 6일 오후 부산 해운대구 영화의전당 중극장에서 열린 '제31회 부산국제영화제(BIFF)' 개막작 '낮과 밤은 서로에게' 기자회견에서 인사말을 전하고 있다. 2026.10.06 yeawon2@newspim.com 김종관 감독은 이 작품에 대해 "제목을 '낮과 밤이 서로에게'라는 제목을 지었는데 영화를 함축시킬 수 있지 않을까 생각했다. 첫 이야기에서 김민하, 주종혁 배우가 낮과 밤의 세계를 연기하지만 실은 되게 여러 가지의 은유를 할 수 있다. 한 사람은 낮에 있고 한 사람은 밤에 있는데 그 사람들이 연결되어 있는 이야기라면, 마지막 에피소드는 같은 공간에 있다가 서로가 낮과 밤이 되는 사람들의 이야기일 수도 있을 것"이라고 설명했다. 그러면서 "어쨌든 계속 양면이 오고가는 이야기들이다. 그 안에 보면 저마다 사연이 있고 또 그들이 만들려고 하는 영화도 있고 꿈도 있고 현실도 있다. 이런 것들이 낮과 밤처럼 서로가 대비가 되기도 하지만 연결도 되어 있는 것 같다. 그래서 낮과 밤이라는 게 전혀 다른 서로가 떨어져 있는 것 같다가도 한 공간에 낮과 밤이 머무는 거니까 서로 연결도 돼있다. 서로가 타인들을 이해하는 영화가 되길 바라는 면도 있었다. 그런 면에서 제목의 의미까지 생각해주셨으면 한다. 이 영화가 여러 층위를 가지고 있어서 끝난 후에도 좀 관객들이 감상을 할 수 있는 영화가 되기를 바란다"고 관객들의 다양한 감상과 이야기, 결말을 열어뒀다. 지난해 박찬욱 감독의 '어쩔수가없다'를 개막작으로 상영하면서 최근 선정 기준이 대중성으로 방점이 찍혔다는 의견이 많았다. 올해는 김 감독의 작품을 선정하면서 오히려 독립영화, 소규모 영화로 다시 돌아간 모양새다. 정지혜 프로그래머는 "부산국제영화제는 매년 정말 탁월하고 훌륭한 작품들을 엄선해서 개막작을 선정하고 있다. 작년과 재작년에는 조금 더 제작의 어떤 규모의 측면에서는 올해의 작품보다 더 큰 작품이었던 것은 사실이지만 올해의 작품이 제작의 어떤 규모와 무관하게 그 작품이 이 작품이 갖고 있는 의미와 또 작품의 어떤 가치는 결코 작지 않다고 생각한다"고 말했다. 정 프로그래머는 또 "이 작품은 한 창작자가 굉장히 고심하고 또 그것을 꼼꼼하게 설계해서 자신만의 감성과 세계를 빚어내는 아주 빼어난 작품"이라며 "부산국제영화제 개막작의 주요한 선정의 이유 중에 하나는 아주 많은, 너른 범위의 관객분들이 2시간 가까운 시간을 야외 극장에서 극장에서 보실 때 무리 없이 즐겁게 보실 수 있는 그런 작품을 선정하는 것을 우선으로 하고 있다. 제작 규모가 때에 따라서는 규모가 클 수도 있다. 올해 개막작은 기준에 충분히 부합하는 작품이다. 감독님, 배우분들의 하모니와 연기의 내공이 고스란히 전달되는 작품이라서 많은 연령층 넓은 연령층이 함께 보시기에도 손색이 없는 작품이라는 점에서 올해 개막작으로 선정하는 데 주저함이 없었고 자랑스러운 작품"이라고 평했다.  [부산=뉴스핌] 김예원 기자 = 배우 심은경이 6일 오후 부산 해운대구 영화의전당 중극장에서 열린 '제31회 부산국제영화제(BIFF)' 개막작 '낮과 밤은 서로에게' 기자회견에서 인사말을 전하고 있다. 2026.10.06 yeawon2@newspim.com 이날 간담회 말미에는 현재 뜨겁게 영화계를 달구고 있는 문제작이 돼버린 '암살자(들)'에 대한 질문도 나왔다. 배우 심은경은 직접 '암살자(들)'에 출연한 바도 있다. 하지만 정 프로듀서는 "개막작에 대한 이야기만을 나누는 곳"이라며 기존의 영화제의 공식입장으로 답변을 갈음했다. 앞서 부산국제영화제는 역사 왜곡 논란에 휩싸인 '암살자(들)'의 영화제 내 모든 무대인사 취소 소식을 알렸다. 출연 배우 이민호의 '액터스하우스' 행사도 취소됐다. 영화제는 당시 "제작사 요청에 따라 예정돼있던 영화제 개막식 참석 및 야외 무대인사 일정이 취소됐다"면서 "영화제는 관객 및 게스트들의 안전과 원활한 행사 진행을 고려한 제작사의 의사를 존중한다. 기다려주신 관객 여러분의 양해를 부탁드린다"고 했다. 올해 부산국제영화제는 6일부터 15일까지 부산 영화의전당 일원에서 열린다. 오후 6시 영화의전당 야외무대에서 개막식이 개최되며, 개막작 '낮과 밤은 서로에게'가 상영된다.  jyyang@newspim.com 2026-10-06 17:18
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

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.
안다쇼핑
Top으로 이동