보호무역 강화와 흑연 공급의 중국 편중 완화, 전기차 시장 확대 흐름 속에서 실리콘 복합 음극재가 차세대 대안으로 부상하며 글로벌 투자와 상용화 경쟁이 가속화되고 있다. 국내 기업들도 실리콘 음극재 시장에 잇따라 진입하며 시장 선점에 속도를 내고 있다.

13일 시장조사업체 퓨처마켓인사이트에 따르면 실리콘 음극재 시장은 올해 52억 달러에서 오는 2035년 104억 달러로 두 배 증가할 전망이다. 연평균 성장률(CAGR)은 7.1%에 달한다. 이는 기존 음극재인 흑연의 이론용량(372mAh/g)이 한계에 도달하면서 에너지 밀도 개선이 어려워진 데다, 전 세계 흑연의 약 95%를 공급하는 중국의 수출 통제 조치로 공급 리스크가 현실화된 영향이 크다. 유럽 역시 탄소중립 정책에 따라 공급 다변화와 지속가능성 기준을 강화하면서 실리콘 음극재 수요 확대를 뒷받침하고 있다.

실리콘 음극재는 흑연의 용량 한계를 보완하기 위해 개발된 실리콘(Si) 기반 음극 소재로, 높은 에너지 밀도와 우수한 전기화학 특성이 강점이다. 다만 가격이 비싸고 충·방전 과정에서 부피가 300~400% 팽창해 수명 문제가 발생하면서 현재는 일부 럭셔리 전기차 중심으로만 적용되고 있다. 이 때문에 실리콘 단독 구성이 어려워 실제 프리미엄 차량에서도 실리콘 함량은 10% 이하에 머문다. 이에 따라 실리콘-탄소 하이브리드 구조(Si-C 복합 구조, SiC)나 SiOx(산화실리콘) 기술을 적용해 팽창을 제어하려는 연구가 활발하게 진행 중이다.

그럼에도 실리콘은 리튬 저장 용량이 탄소계 대비 약 7배 높아 고속충전 및 주행거리 확장 측면에서 차세대 소재로 주목받고 있다. 실리콘의 이론용량은 약 3700mAh/g으로, 실사용 기준으로도 1600~1800mAh/g을 구현해 흑연 대비 약 5배 수준의 성능 잠재력을 보인다. 시장 가격은 높지만 고부가 프리미엄 소재로 평가되면서 적용 확대가 기대된다는 평가다.

국내 기업들은 이 시장 선점을 위해 적극적으로 움직이고 있다. 대주전자재료는 국내 최초로 실리콘 음극재 양산에 성공해 LG에너지솔루션과 SK온에 공급하고 있으며, 해당 소재는 포르쉐 타이칸에 적용된 바 있다.

포스코퓨처엠은 지난해 4월 데모 플랜트를 가동하고 내년 연산 1000톤, 오는 2030년 1만톤 체계 구축을 목표로 SiC 계열 제품의 상용화 준비에 속도를 내고 있다.

HS효성첨단소재는 벨기에 유미코아와 합작해 실리콘-탄소 복합 음극재 사업에 진출했으며, 유미코아 자회사 EMM 지분 80% 인수를 통해 경영권 확보를 추진 중이다. 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 주요 셀 기업들도 자체 연구소를 중심으로 실리콘 음극재를 포함한 차세대 배터리 기술 개발에 힘을 싣고 있다.

글로벌 기업들도 실리콘 음극재 상용화를 서두르고 있다. 특히 미국의 실라(Sila)·이노빅스(Enovix)·그룹14(Group14)·에네베이트(Enevate) 등이 고함량 실리콘과 구조 설계 혁신을 앞세워 시장을 이끄는 대표 주자로 꼽힌다. 흑연 음극재 강자인 중국 BTR 역시 실리콘 음극재로 포트폴리오를 넓히며 선두권을 형성하고 있어 국내 기업들이 추격해야 할 글로벌 벤치마크로 거론된다.

박기수 한국폴리텍대 이차전지시스템과 교수는 "실리콘 음극재는 흑연의 완전 대체재가 아닌 고성능용 보완재"라며 "현재 실리콘 음극재는 프리미엄 전기차 위주로 적용되고 있으며, 완전 대체는 어렵지만 향후 10~20% 수준으로 확대될 것으로 보인다"고 말했다. 이어 "중국의 흑연 수출 통제 조치로 공급 리스크가 현실화되면서 시장이 빠르게 요동치고 있다"고 덧붙였다.