최근 들어 스마트폰의 요구되는 배터리 용량이 3,000 mAh 이상으로 증가하고, Tablet, Ultra PC 등이 4,000 mAh 이상의 대용량 리튬폴리머 전지를 사용하면서 요구되는 음극재의 용량 요구수준 역시 크게 증가하고 있다. 또한 전기자동차용 및 ESS용 중대형 배터리 시장에서도 고용량 음극 소재를 필요로 하면서 기존에 쓰이던 탄소계, 흑연계 음극재 중심에서 최근에는 특히 금속복합계인 실리콘(Si)계 음극재가 주목받고 있다.

Si계 고용량 소재는 현재 몇 개 업체에서만 개발하고 있으나, 향후 전기차의 주행거리 극복을 위한 고용량 전지개발을 위해서는 필수적으로 개발되어야만 하는 소재이며, 이에 대한 현황 및 문제점을 조기에 파악하여 대응 한다면, 이 분야에서 충분한 경쟁력을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다.

탄소계, 흑연계 외에 리튬 이차전지 고용량 음극 소재로 Si-C composite, Si-alloy, SiOx 가 대표적이다. 그 중 SiOx 와 Si-alloy 는 가장 상품화에 근접되어 있으며, 일부 전지 메이커에서 전지에 적용하여 고용량 전지를 개발 중에 있으나, 아직까지 수명, 부피팽창(Swelling) 등의 문제가 있어 이를 개선하기 위한 노력을 진행 중이다. 실리콘(Si)계 음극 관련하여 최근 업계와 학계의 관련 기술 개발 발표가 잇따르고 있고, 음극소재 업체들도 개발에 집중하며 머지 않아 상용화가 기대되고 있다. 

본 보고서는 최근 이슈가 되고 있는 xEV, ESS, IT용 리튬이차전지의 고용량 전지개발을 위한 Si계 음극개발 동향 및 성능향상에 대한 기술적 보고서로, 특히, Si계 고용량 음극[Si-alloy, SiOx, Si-C composite]소재의 업체와 학계의 최신 개발 현황과 이를 적용한 전지의 상황 및 문제점 그리고 이를 개선할 수 있는 idea를 제공함으로 향후 고용량 전지 개발을 도움을 드리고자 한다.

본 보고서의 Strong Point

① 리튬이차전지 음극재의 전체적인 기술 개발 현황

② 고용량 Si계 음극소재의 기술 이슈 및 핵심 요소 기술

③ 최신 Si계 음극소재의 기술 개발 동향

④ 향후 Si계 음극소재의 응용 분야 및 상용화 전망

1-1. 리튬이차전지 역사

1-2. 리튬이차전지 종류 및 특징

1-3. 리튬이차전지 원리

1-4. 리튬이차전지 구성요소

1-5. 리튬이차전지 응용분야

2. 리튬이차전지 음극소재 종류 및 특징

2-1. 리튬이차전지 음극소재 요구특성 및 종류

2-2. 탄소계 음극소재 특성

2-3. 금속계 음극소재 특성

2-4. 화합물계 음극소재 특성

3. 고용량 리튬이차전지용 Si계 음극소재 기술개발 현황

3-1. 고용량 리튬이차전지 개발 이력 및 방향

3-2. 고용량 Si계 음극소재 종류 및 특징

3-3. 고용량 Si계 음극소재 기술개발 동향

① SiOx계 음극소재

② Si-Alloy계 음극소재

③ Si-C계 음극소재

④ 다양한 나노구조의 Si계 음극소재

⑤ Si계 음극소재용 바인더

⑤ Si계 음극소재용 집전체

3-4. Si계 음극소재 응용분야 및 상용화 전망

① 리튬이차전지 음극소재 시장 현황

② 리튬이차전지 주요 음극소재 업체 현황

 1) Hitachi Chemical

 2) Mitsubishi Chemical

 3) JFE Chemical

 4) BTR New Energy Materials

 5) Shanghai Shanshan Tech

 6) Jiangxi Zichen Technology

 7) Morgan Advanced Materials

 8) 포스코켐텍

 9) 애경유화

10) 일진전기

11) 대주전자재료

③ 리튬이차전지 Si 음극소재 응용 분야 및 상용화 전망

 1) SiOx 음극소재 (Shinetsu 등)

 2) Si-M 합금 음극소재 (3M 등)

 3) Si-C 복합체 음극소재 (GS Energy 등)

 4) 폐실리콘을 이용한 음극소재 (맥진정보통신 등)