日 아사히카세이, 실리콘 배터리 수명 늘릴 프리도핑 개발

일본 아사히카세이가 실리콘 음극재 기반 고전압 배터리의 초기 용량 손실을 막는 전해액 첨가제 도핑 기술을 개발해 에너지밀도를 10% 끌어올렸다.
비즈니스와이어는 20일(현지시각) 이번 공정이 값싼 탄산리튬을 분해해 배터리 제조 원가를 낮추는 방식이라고 보도했다.

고성능 인공지능 기기와 전기차 확산으로 고전압 배터리 수요가 커지는 가운데 한국 2차전지 밸류체인의 공정 원가 경쟁에도 영향을 줄 것이라는 분석이 나온다.


전기차와 로봇 시장이 커지면서 고용량 리튬이온 배터리를 확보하려는 경쟁이 치열하다. 배터리 제조사들은 음극재의 흑연 일부를 실리콘계 소재로 바꾸고 양극재 작동 전압을 올리는 방식을 추진해 왔다. 실리콘은 이론상 흑연보다 10배 이상 많은 리튬이온을 저장할 수 있어 차세대 소재로 꼽힌다.
문제는 첫 충전 과정에서 발생하는 비가역적인 용량 손실이다. 실리콘 음극재는 초기 충전 시 표면에 고체 전해질계면(SEI) 피막을 형성하면서 리튬이온을 대량으로 소모한다. 배터리 총 에너지밀도가 떨어지고 수명이 줄어드는 치명적인 결함이 뒤따른다.

그동안 업계는 부족해진 리튬을 채우려고 양극 활물질 투입량을 무리하게 늘려 왔다. 이 방식은 배터리 무게와 부피를 늘리고 생산 비용을 끌어올리는 악순환을 불렀다.


아사히카세이는 배터리 원료로 널리 쓰이는 저가형 탄산리튬에서 해법을 찾았다. 탄산리튬은 분해 전압이 일반 배터리 작동 범위보다 높아 이전까지는 사전 도핑 소재로 쓰기 어려웠다. 연구진은 전해질에 특수 첨가제를 배합해 일반 작동 전압에서도 탄산리튬이 쉽게 분해되는 환경을 만들었다.
탄산리튬을 양극에 소량 투입해 첫 충전 때 스스로 분해되면서 리튬을 방출하는 희생 공급원으로 활용하는 원리다. 기존 양극 활물질을 낭비하지 않고도 음극의 초기 손실분을 메워 전체 용량을 보존한다.

자체 테스트 결과 성능 개선 효과가 뚜렷했다. 흑연 90%와 실리콘산화물 10%를 섞은 음극재 기반 니켈·망간·코발트(NMC) 시험 셀에서 에너지밀도가 기존 대비 10% 향상됐다. 와트시당 낮은 비용을 유지하면서 배터리 충·방전 수명도 함께 늘어났다. 기존 배터리 조립 라인을 바꾸지 않고 그대로 적용할 수 있어 설비투자 부담도 적다.


아사히카세이는 특허와 노하우를 제공하는 기술 라이선스 사업을 본격적으로 펼칠 계획이다. 회사는 2025~2027 회계연도 동안 글로벌 파트너사와 최소 10건의 신규 라이선스 계약을 체결하기로 했다. 이를 발판으로 2030년까지 누적 이익 기여액 100억 엔(약 876억 원) 이상을 달성한다는 목표다.

한국 배터리 제조사와 소재 기업들도 실리콘 음극재 양산 기술을 개발해 왔다. 기존 공정 라인을 유지한 채 원가를 낮추는 일본발 신기술은 한국 2차전지 공급망에 직접적인 가격 압박 요인으로 작용할 전망이다.
다만 기술 검증 단계에서 대량 생산 수율을 확보하지 못하거나 첨가제 단가가 예상보다 높아질 경우 실제 상용화 시점이 늦어질 가능성도 열려 있다. 한국 기업들은 특허 장벽을 점검하면서 자체 프리도핑 공정의 수율과 경제성을 비교 분석하는 작업에 속도를 낼 것으로 보인다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com