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삼성SDI, 코드리스 시대 실리콘 음극소재로 경쟁력↑

  • 송고 2018.03.02 06:00 | 수정 2018.02.28 18:11
  • 최수진 기자 (csj890@ebn.co.kr)

전세계에서 유일하게 SCN 특허 보유…안정적·에너지밀도 장점 극대화

부피 덜 팽창하는 음극소재로 높은 용량 배터리 생산 가능

삼성SDI는 다양한 첨단 배터리를 지속 개발하고 있다. [사진=삼성SDI]

삼성SDI는 다양한 첨단 배터리를 지속 개발하고 있다. [사진=삼성SDI]

삼성SDI가 전세계에서 유일하게 특허를 보유하고 있는 실리콘 음극소재를 통해 배터리 경쟁력을 강화하고 있다.

2일 배터리업계에 따르면 삼성SDI는 SCN(Si-Carbon-NanoComposite)으로 안정적이면서도 높은 에너지 밀도를 가진 음극 소재를 리튬이온 배터리에 적용하고 있다.

2차 전지는 충전과 방전을 반복하면서 지속적으로 사용할 수 있지만, 오랜 시간 사용하다보면 사용할 수 있는 시간이 점점 줄어들게 된다. 이런 배터리 수명에 있어 가장 중요한 역할을 하는 것이 음극 소재이다.

현재 리튬이온 배터리의 음극 소재로 사용되고 있는 물질은 흑연이다. 흑연은 규칙적인 형태로 탄소가 결합된 하나의 층이 여러 겹 쌓인 구조인데 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는 충전 과정에서 음극에 도착한 리튬이온이 흑연 층 사이사이로 들어가 저장된다.

리튬이온이 흑연 층을 왔다갔다 하면서 음극의 부피가 계속해서 변하게 되고 이는 흑연 구조에 미세한 변화를 발생시키면서 수명이 줄게 되는 것.

[자료=삼성SDI]

[자료=삼성SDI]

삼성SDI 관계자는 "음극의 부피 변화는 자연스러운 현상으로 안전성이나 주요 특성 등이 바뀌지는 않지만 배터리 사용시간이 조금씩 줄어들게 된다"고 설명했다.

충방전 시 부피 변화는 배터리 용량에도 영향을 미친다. 부피가 덜 팽창하는 음극 소재를 사용하게 되면 배터리 설계시 여유 공간을 적게 가져갈 수 있어 보다 높은 용량의 배터리를 만들 수 있다.

최근 고용량 배터리에 대한 수요가 높아지면서 흑연을 대체할 음극 소재에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 차세대 음극 소재로 주목 받고 있는 소재는 실리콘(Si)으로, 흑연에 비해 질량 대비 에너지밀도가 약 10배정도 크다는 점이 장점으로 꼽힌다.

그러나 실리콘 소재는 흑연 대비 구조적 안전성이 떨어져 배터리업계에서는 실리콘의 구조를 안정화 시키는 연구 개발을 진행하고 있는 것.

삼성SDI의 실리콘 음극 소재인 SCN은 아주 작은 나노 사이즈의 실리콘과 흑연을 배합해 서로의 장점을 살린 것.

구조가 안정적인 흑연에 에너지 밀도 특성이 우수한 실리콘을 매우 작은 사이즈로 넣어 안정적인 구조를 가지면서도 높은 에너지 밀도를 가진 음극 소재를 만들어 낸 것.

삼성SDI 관계자는 "전자제품의 코드리스화가 확대되면서 충전은 짧고 사용시간은 긴 배터리에 대한 수요가 강해지고 있다"며 "양극이 용량 특성을 책임져 1회 사용시간을 늘리는 데 중요한 역할을 한다면 음극은 수명 특성으로 하나의 배터리를 오래 사용할 수 있도록 하는 만큼 양극과 음극 소재에 대한 기술 개발은 앞으로도 계속 이어 질 것"이라고 말했다.


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