실리콘 음극재 - 업체별 성능 비교 (대주전자재료, 한솔케미칼, SK, 엠케이)

2022년 하반기부터 본격화될 실리콘 음극재 채용 확대에 따라 국내 업체들의 생산 Capa. 가이던스나 성능 등이 가시화 되고있다.

 

본 글에서는 실리콘 음극재의 성능을 비교하고, 다음 글에서는 각 기업의 향후 Capa. 예상 추이를 비교하고자 한다.

 

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실리콘 음극재 성능 비교

실리콘 음극재 성능 및 가격 비교 (한솔, 대주, 엠케이)

한솔케미칼은 Si-C 계열의 실리콘 음극재를 생산하고 있으며, 대주전자재료는 SiOx 계열의 실리콘 음극재를 생산하고 있다.

 

엠케이전자는 삼성SDI와 실리콘 음극재 특허를 공동으로 보유하고 있음이 주목되었으나, 타 업체대비 초기용량이 크게 낮으며, ALD 증착 방식으로 카본층을 코팅하는 방법이기 때문에 양산성이 부족하다는 큰 단점으로 인해 실제 고객사 공급 가능성은 적은 것으로 판단된다.

 

실리콘 음극재 성능 및 가겨 비교 (한솔, 대주, 엠케이)

1) 초기 용량(mAh/g)

초기 용량의 경우 SiOx 계열이 기본적으로 Si-C 계열 보다 높은 것이 일반적이나, 오히려 한솔케미칼의 Si-C 계열 실리콘 음극재가 더 높은 용량을 보였다. 

 

대주전자재료의 실리콘 음극재도 초기에는 1500~1600mAh/g 수준의 초기 용량을 보유했으나, SiOx의 고질적인 문제인 초기 충방전 효율(ICE)를 올리기 위해 마그네슘 등을 섞음으로써 Si/SiOx 비율이 낮아져 1,400mAh/g 수준으로 내려온 것이다. 실제로 대주전자재료의 개발 라인업을 보면 신제품을 출시할 때마다 용량을 조금씩 낮추면서 ICE를 높이고 있다.

 

엠케이 전자의 실리콘 음극재의 경우 실리콘과 탄소 함유율이 낮아, 다른 두 업체대비 매우 낮은 1,100 mAh/g 수준의 초기 용량을 보이고 있다.

 

2) 초기 충방전 효율 (ICE, %)

ICE의 경우 엠케이 전자의 실리콘 음극재가 89.4%로 가장 높으며, 한솔케미칼 또한 88.1%로 매우 높다는 것을 알 수 있다.

 

한솔케미칼의 실리콘 음극재의 경우 초기 용량이 매우 큼에도 불구하고 ICE 까지 높다는 점이 매우 인상적이다.

 

반면 대주전자재료의 음극재의 경우 SiOx의 고질적인 특성상 80% 수준으로 매우 뒤쳐진다. 이러한 현상이 발생되는 이유는 SiO2의 O가 Li+이온과 결합하여 Li의 이동을 막아 처음 들어온만큼 리튬이 방전되지 못하기 때문이다. 대신 이에따른 효과는 우수한 100 Cycle 용량 유지율을 통해 확인할 수 있다. (구조 붕괴가 안되어 싸이클 특성이 좋아짐)

 

3) 100 Cycle 후 용량 유지율 (%)

100% Cycle 후 용량 유지율의 경우 위에서 언급하였듯 대주전자재료의 SiOx 계열 음극재가 91.7% 수준으로 가장 우수함을 알 수 있다. SiOx와 Li+이 결합하여 Li이 이동하지 못해 초기 충방전 효율은 낮아지나, 이를 통해 생성되는 입자가 실리콘 음극재의 구조 붕괴를 막아 용량 유지율이 좋아지는 효과가 있는 것이다. 자동차회사나 배터리 회사 입장에서는 용량 유지율 또한 굉장히 중요한 요소이기 때문에 SiOx 기반 실리콘 음극재의 수요가 유지될 수 밖에 없는 이유이기도 하다.

 

한솔케미칼의 실리콘 음극재의 경우 Si-C의 고질적 특성인 팽창으로 인한 깨짐성 특성이 우려되었으나, 실리콘 내부에 기공크기를 최적화하여 싸이클 특성을 높힌 것으로 파악된다. (기공 크기가 너무 작으면 실리콘 부피 팽창의 상쇄가 불가하고, 너무 크면 실리콘 구조가 붕괴될 우려가 있음)

 

4) 가격 (Ton/년)

가격의 경우 대주전자재료의 실리콘 음극재가 8천만원/Ton 정도이고, 한솔케미칼의 실리콘 음극재가 7천만원/Ton 정도이다. 

 

대주전자재료의 실리콘 음극재의 주 원료인 SiOx의 경우 진공증착을 통해 생성되기 때문에 일단 원재료부터 고가이며, Si/SiOx에 탄소코팅을 하기 위해 수행하는 메탄(CH4) 기반으로한 기상합성공정 또한 상당한 비용이 든다. 그럼에도 불구하고 양산성을 확보하여 합리적인 가격에 판매하고 있으며, 향후 생산 Capa.를 급격히 늘린 경우에는 더욱 저렴하게 판매가 가능할 것으로 전망된다.

 

한솔케미칼이 경우 삼성SDI에서 사용하는 방법과 비슷하게 실리콘과 피치/흑연 멜트-믹싱으로 복합화 한 후 열처리 하는 방법을 사용하기 때문에 제조 방법이 간단하여 가격이 SiOx 기반 음극재보다 저렴하다. 기존에는 이러한 방법으로 생성한 Si-C 계열 음극재가 싸이클 특성이 안좋아서 사용이 힘들었지만, 기공 부피를 제어함으로써 이러한 문제점을 극복한 것이다.

 

결론

국내 생산 실리콘 음극재의 성늘을 각 업체별로 비교해본 결과, 가격과 성능을 모두 잡은 업체는 한솔케미칼로 파악된다. 특히, SiOx의 낮은 초기 충방전 효율을 극복해낸 차세대 SiC 실리콘 음극재를 생산한다는 점이 매력적이다. 

 

실제로 BTR도 과거 SiOx 기반 실리콘 음극재 생산에서, SiC 기반 실리콘 음극재 생산으로 넘어오고 있는 상황이기 때문에 향후 SiC 기반 실리콘 음극재가 주력으로 자리잡을 확률이 높다.

 

그러나, 대주전자재료는 향후 배터리 업체가 원하는 만큼의 실리콘 음극재를 생산해줄 수 있을 만큼 Capa.가 높다보니  전세계 배터리 생산량 1~2위를 다투는 LG화학과 좋은 관계가 유지될 수 있을 것으로 예상된다. 

 

한솔케미칼의 경우 Capa. 증가가 더딘 삼성SDI가 주요 고객사이기 때문에 Capa.도 크게 늘어나지 못하고 있으나, 해외 추가 고객사 (노스볼트) 확보 가능성이 가시화됨에 따라 2023~2024년 Capa. 증가 가이던스는 충분히 상향될 가능성이 높아보인다. 

 

현재 노스볼트로 공급하려고 노력하고 있는 업체들은 한솔케미칼을 포함하여 대주전자재료, 동진쎄미켐이 있는 상황이나, 이미 음극 바인더를 공급하고있는 한솔케미칼의 공급 가능성이 높다고 알려져 있다.

 

특히, 여기서 아직 언급하진 못했지만 SK머티리얼즈-Group14가 합작하여 생산 예정인 실리콘 음극재가 큰 복병이다. 기존 엠케이전자나 대주전자재료의 경우 주로 메탄(CH4)를 이용하여 Si/SiOx와 메탄가스가 결합함으로써 SiC를 생성하지만, Group14가 개발한 방법은 모노실란(SiH4) 가스가 주입되어 탄소 구조에 Si이 붙어 SiC가 생성되는 역순 구조이다.

 

현재 Group14의 실리콘 음극재는 제대로된 성능 데이터가 공개되지 않은 상황이지만, 기존 SiC 대비 Cycle 유지 특성이 매우 우수한 것으로 알려진 상황이다. 그래서 기존 업체들은 Cycle 유지 특성은 90% 수준으로 적절히 유지하면서 용량을 어떻게든 늘리는 것이 중요할 것으로 예상되는 상황이다.

 

 

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