실리콘 음극재는 흑연 대비 이론 용량이 10배 넘게 높지만, 여전히 실제 배터리에는 10% 안팎만 섞여 들어간다. 2026년 5월 포스코퓨처엠이 실리콘 음극재 양산 기술을 확보했다고 발표하며 2028년 양산·공급 계획을 밝혔고, 미국 실라(Sila)와의 파트너십도 이어지고 있다. 왜 이렇게 오래 걸리는지, 어디까지 왔는지를 짚어본다.
1. 무엇이 화제인가
포스코퓨처엠은 포항 데모플랜트를 가동한 이후 국내외 주요 배터리사와 제품 검증을 마쳤다고 밝히며, 프리미엄 전기차와 휴머노이드 로봇·UAM 등 급속충전이 중요한 시장을 우선 공략 대상으로 제시했다. 실라 측은 실리콘 함량을 높일수록 주행거리와 충전 속도가 함께 개선된다고 설명했지만, 현재 포르쉐·아우디·테슬라·현대차그룹 등에 적용된 제품은 대부분 실리콘 함량 10% 내외의 저함량 제품이다. 국내에서는 대주전자재료도 실리콘-탄소 복합 음극재 분야에서 오랜 특허 포트폴리오를 쌓아온 대표 소재사로 꼽힌다.
2. 기본 원리 — 왜 부풀어 오르는가
흑연의 이론 용량은 372mAh/g인 반면, 실리콘은 4,200mAh/g에 달한다. 리튬 하나가 탄소 6개당 1개 들어가는 흑연과 달리, 실리콘은 원자 하나당 리튬을 최대 4.4개까지 받아들여 합금을 이루기 때문이다. 문제는 이 합금화 과정에서 부피가 300% 이상 팽창한다는 점이다. 충·방전이 반복되면 입자가 미세하게 부서지는 미분화가 일어나고, 집전체와의 전기적 접촉이 끊어지면서 용량이 급격히 줄어든다. 산화규소(SiOx)는 용량은 흑연 대비 4배 수준(약 1,500mAh/g)으로 낮아지는 대신 부피 팽창과 수명 특성이 개선되지만, 최초 충전 시 리튬이 비가역적으로 소모돼 초기 충·방전 효율이 75% 이하로 떨어지는 새로운 문제가 생긴다.
3. 소재별 비교
| 소재 | 이론 용량 | 초기 충방전 효율 | 주요 과제 |
| 흑연 | 372 mAh/g | 90% 이상 | 용량 한계 |
| 산화규소(SiOx) | 약 1,500 mAh/g | 75% 이하 | 초기 비가역 반응 |
| Mg 도핑 SiOx 복합체 | 약 1,500 mAh/g | 91% | 공정 비용 |
| 순수 실리콘 | 4,200 mAh/g | – | 300%+ 부피팽창 |
4. 특허 관점 — Mg 도핑으로 비가역을 줄이는 법
대주전자재료의 한국 등록특허 KR101960855B1(2019년 3월 등록, 「리튬 이차전지 음극재용 실리콘 복합산화물 및 이의 제조방법」)은 이 초기 효율 문제를 정면으로 다룬다. 청구항 1의 요지는 실리콘 산화물(SiOx) 안에 결정 크기 1~25nm의 실리콘 입자와 MgSiO3 결정을 포함시키고, 전체 중량 대비 마그네슘을 2~20중량부 비율로 함유시켜 비중 2.3~3.2를 갖도록 한 구조다. 명세서에 실린 실험 데이터를 보면 이 구조(실시예 1)는 방전용량 640mAh/g, 초기 충·방전 효율 91%, 50사이클 후 용량유지율 92%를 기록한 반면, 마그네슘을 넣지 않은 비교예는 초기 효율이 85%에 그쳤다. 마그네슘이 만드는 MgSiO3 결정이 비가역 반응의 원인이 되는 산화물 성분을 사전에 흡수해, 정작 리튬이 낭비되는 양을 줄이는 방식이다. 이 특허는 미국·일본·중국·유럽에도 패밀리 특허로 등록돼 있어, 회사가 핵심 IP로 방어하고 있는 기술임을 짐작할 수 있다.
5. 한계와 전망
이런 개선에도 불구하고 실리콘 소재가 흑연을 완전히 대체하기까지는 갈 길이 멀다. 실제 양산 배터리에서는 여전히 실리콘 함량을 10% 내외로 낮게 유지한 채 흑연과 섞어 쓰는 것이 일반적이다. 함량을 높일수록 성능은 좋아지지만 부피 팽창을 억제하는 공정 비용도 함께 올라가기 때문이다. 포스코퓨처엠이 제시한 2028년 양산 목표도 시장 수요와 환경에 따라 조정될 수 있는 계획이라는 점은 감안해서 볼 필요가 있다.
| 핵심 소재 | 실리콘 음극재(SiOx + Mg 도핑 복합체) |
| 핵심 특허 | KR101960855B1 (대주전자재료, 2019 등록) |
| 현재 상용화 수준 | 저함량(10% 내외) 혼합 적용, 완전 대체 아님 |
※ 본 글은 공개된 보도자료·특허공보를 바탕으로 정리한 것으로, 구체적 양산 일정과 물성 수치는 기업 발표 시점과 실제 제품에 따라 달라질 수 있습니다.
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