실리콘 카본 배터리, 스마트폰 배터리 혁신 이뤄낼까

스마트폰업체들이 경쟁적으로 실리콘 카본 배터리에 눈을 돌리고 있다. 최근 아너, 오포, 샤오미 등 중국 스마트폰 제조사들이 실리콘 카본 배터리를 도입하고 삼성전자도 최근 갤럭시Z폴드8 시리즈에 해당 기술을 적용했다.

이에 따라 실리콘 카본 배터리가 또 다른 스마트폰 혁신의 주춧돌이 될 지 여부에 관심이 쏠리고 있다고 IT매체 엔가젯이 4일(현지시간) 보도했다.

엔가젯은 이날 기사에서 실리콘 카본 배터리의 장·단점과 함께 스마트폰 수명에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 분석했다.

배터리는 양극과 음극, 전해질로 구성된다. 배터리가 완전히 충전되면 전자는 양극에 저장됐다가 사용 과정에서 전해질을 거쳐 음극으로 이동하면서 전기에너지를 만든다. 충전 시에는 다시 전자가 양극으로 이동하는 과정이 반복된다. 충·방전이 반복되면 전해질이 점차 열화되면서 저장 가능한 전력량도 감소하게 된다.

엔가젯은 이를 워터파크의 워터슬라이드에 비유했다. 아이들(전자)이 슬라이드 꼭대기(양극)에서 아래(음극)로 내려오고, 다시 위로 올라가는 과정은 충·방전을 의미한다. 슬라이드를 타기 위해 필요한 물이 전해질인데, 시간이 지나 물이 부족해지면 슬라이드를 더 이상 제대로 이용할 수 없는 것처럼 배터리 성능도 점차 떨어진다는 설명이다.

오랫동안 표준이 된 리튬 이온 배터리

리튬이온 배터리는 가볍고 에너지 밀도가 높으며 여러 차례 충·방전을 반복해도 성능 저하가 비교적 적은 편이다. 덕분에 리튬이온 배터리는 오랫동안 스마트폰 등 전자기기 표준으로 사용돼 왔다.

실리콘 소재 업체 앰플리시(AmpliSI)의 최고경영자(CEO) 루스 세이어스 박사는 업계가 지난 20년 동안 양극과 전해질 기술은 꾸준히 발전시켜 왔지만, 음극은 여전히 흑연 소재에 크게 의존하고 있다고 지적했다.

그는 "수십 년 동안 동일한 흑연 음극을 사용해 왔다"며 "이제는 흑연이 배터리 성능을 제한하는 요소가 되고 있으며, 이를 대체할 후보가 바로 실리콘"이라고 설명했다.

실리콘 카본 배터리, 뭐가 다른가

'실리콘 카본 배터리'라는 명칭은 다소 오해의 소지가 있다. 양극은 기존과 동일하게 리튬 기반 소재를 사용하고, 음극의 흑연 일부를 실리콘-카본 소재로 대체하는 방식이기 때문이다.

삼성전자 역시 갤럭시Z폴드8과 갤럭시Z폴드8 울트라 제품 페이지에서 배터리 종류를 '리튬이온'으로 표기하고 있다. 다만 에너지 밀도 향상을 위해 실리콘-카본 소재를 적용했다고 설명했다. 업계에서는 이러한 구조 역시 실리콘 카본 배터리로 분류한다.

핀란드 세이뇌키 응용과학대학교 연구개발 책임자 유호 헤이스카 박사는 "실리콘을 음극에 첨가하는 기술 자체는 새로운 것이 아니다"라며 "테슬라도 일부 니켈·코발트·알루미늄(NCA) 배터리에 3~5% 수준 실리콘을 적용해 왔다"고 말했다. 이어 "최근에는 제조 기술과 화학 공정이 발전하면서 실리콘 비중을 훨씬 높일 수 있게 된 것이 가장 큰 변화"라고 설명했다.

엔가젯은 삼성전자가 실리콘 카본 배터리를 적극적으로 도입한 최대 스마트폰 제조사라고 평했다. 다만 삼성은 일부 중국 제조사처럼 초고용량 배터리를 적용하기보다, 기기 두께를 줄이면서도 배터리 효율을 높이는 방향을 택했다.

반면 배터리 수명은 다소 줄어들 가능성이 있다. 보도에 따르면 삼성은 유럽연합(EU)에 제출한 규제 문서에서 실리콘 카본 배터리의 충전 사이클을 약 1200회로 제시했다. 이는 이전 세대 리튬이온 배터리의 약 2000회보다 감소한 수치다.

높은 에너지 밀도와 빠른 충전이 강점

실리콘 카본 배터리의 가장 큰 장점은 에너지 밀도다. 세이어스 박사에 따르면 흑연의 저장 용량은 1g당 약 330mAh인 반면 실리콘은 이론적으로 약 10배에 달하는 저장 능력을 갖는다. 같은 크기의 배터리에서도 더 많은 전력을 저장할 수 있어 스마트폰 두께를 크게 늘리지 않으면서 배터리 용량을 확대할 수 있다.

실제로 원플러스 15는 아이폰17보다 두께가 1~2mm 정도 두꺼운 수준이지만 7300mAh 실리콘 카본 배터리를 탑재했다. 이 스마트폰은 엔가젯의 배터리 테스트에서 약 38.5시간의 사용 시간을 기록했다.

충전 속도도 장점으로 꼽힌다. 헤이스카 박사는 "흑연은 리튬이온이 층 사이로 이동하는 속도에 한계가 있지만, 실리콘은 리튬이온을 훨씬 빠르게 받아들일 수 있어 고속 충전에 유리하다"고 설명했다. 밖에도 실리콘은 매장량이 풍부하고 가격이 저렴해 원재료 비용 측면에서도 경쟁력이 있다는 평가다.

배터리 수명은 해결해야 할 과제

헤이스카 박사는 "실리콘 카본 배터리는 충전 속도와 용량은 향상되지만 배터리 수명은 다소 짧아지는 경향이 있다"고 설명했다. 그 이유는 팽창률 때문이다. 흑연은 충·방전 과정에서 약 10% 정도 팽창하지만, 실리콘은 최대 400%까지 부피가 늘어난다. 이 때문에 순수 실리콘만으로 음극을 만들 경우 수명이 지나치게 짧아 상용화가 어렵다.