리튬 하이니켈 배터리

리튬 하이니켈 배터리(NCM, NCA)는 코발트 비중은 낮추고 니켈 비중은 최대한 끌어올린 하이니켈(high nickel) 배터리이다. 일명 K-배터리라고 불리는 리튬 하이니켈 배터리는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션이 글로벌 경쟁력을 강화하고 있는 현황이다. 리튬 하이니켈 배터리는 기존의 NCM 삼원계 배터리 뿐만아니라 알루미늄(13Al)을 사용한 NCA 및 NCMA 배터리가 확산되고 있는 추세이다.

개요

양극은 배터리의 용량과 사용시간에 중요한 역할을 한다. 양극소재를 어떻게 구성하느냐에 따라 전자의 수가 달라지고 배터리의 용량과 전압도 결정이 된다.

배터리의 양극에는 리튬산화물의 형태로 리튬이 존재한다. 리튬산화물처럼 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 '활물질'이라고 하는데 여기에 도전제, 바인더가 결합된 합제를 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 구성된다.

리튬산화물과 결합해 배터리에 적합한 성능을 나타내는 활물질 종류는 크게 ▲LCO ▲NCM ▲NCA ▲LMO ▲LFP로 나뉜다.

결합되는 금속 종류에 따라 특성도 달라지는데, Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 역할을 한다.

현재 생산되는 전기차는 NCA, NCM, LMO 양극 소재를 적절히 혼합해 사용되고 있다. LFP의 경우 안전성은 높지만 에너지밀도가 낮고 부피가 큰 데다 출력도 낮아서 중국을 제외한 대부분 업체에서 사용하지 않고 있다.

전기차에 주로 사용되는 배터리 양극 소재들을 살펴봤을 때 주목해야할 소재는 니켈히다. 니켈 함유량을 얼마나 높이느냐에 따라 에너지 밀도가 결정되기 때문이다. 니켈 함유량이 높아지면 더 많은 양의 리튬이온이 쉽게 왔다 갔다 할 수 있게 된다. 결국 니켈 비중이 높은 배터리를 전기차에 탑재할 경우 주행거리를 늘릴 수 있고, 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 만들 수 있게 되는 것이다. 또 가격 변동성이 크고 고가의 광물인 코발트 함량을 줄일 수 있어 업체 입장에서는 원가 경쟁력 확보에도 유리하다는 장점이 있다.

삼성SDI는 2015년 니켈 함량 88% 이상의 하이니켈 NCA 양극 소재를 전동공구용 원형배터리에 적용했다. 또 2021년부터 양산되는 5세대 전기차용 배터리에도 니켈 88%의 하이니켈 NCA 양극 소재를 적용할 계획이다. LG화학도 2020년 니켈 70%, 코발트 10%, 망간 20%로 구성된 NCM712 배터리를 공급하고, 2021년에는 니켈 비중을 85%이상으로 끌어올린 NCMA 배터리 양산을 목표로 하고 있다. SK이노베이션 역시 NCM811(니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%) 양극재를 적용한 배터리를 2016년 세계 최초로 개발해 2018년부터 양산 중이며 또 2019년에는 NCM9 1/2 1/2(니켈 90%, 코발트 5%, 망간 5%) 양극재를 채택한 배터리 개발도 세계 최초로 성공했다.

종류

• NCM 배터리 = 니켈 + 코발트 + 망가니즈를 사용하는 3원계 배터리이다. 분자식은 LiNiMnCoO2이다. NMC 배터리라고도 한다. 니켈 함량을 높인 다양한 비율의 하이니켈 배터리를 사용한다. ( NCM523, NCM622, NCM712, NCM811, NCM9½½ 등)

• 알루미늄(13Al)을 사용한 NCA 및 NCMA 배터리

- NCA (3원계) : 니켈 + 코발트 + 알루미늄 (LiNiCoAlO2)

- NCMA (4원계) : 니켈 + 코발트 + 망가니즈 + 알루미늄

관련업체

• LG화학 : LG화학의 주력 제품은 ‘NCM(니켈·코발트·망간)’이다. 사용되는 원자재의 비율에 따라 NCM111(니켈·코발트·망간 비율 1:1:1), NCM622(니켈·코발트·망간 비율 6:2:2), NCM712(니켈·코발트·망간 비율 7:1:2), NCM811(니켈·코발트·망간 비율 8:1:1) 등으로 불린다. LG화학이 주력으로 사용하는 배터리는 NCM622였다. 이전에는 NCM111를 많이 사용했다.

LG화학은 2020년 9월 1일, 폴란드 공장에서 파우치형 차세대 NCM 배터리를 양산하기 시작했다. 여기서 생산하는 배터리는 NCM622를 개선한 NCM712다. 니켈 함량을 60%에서 70%로 끌어올리면서, 400~500km였던 주행거리를 500km 이상으로 늘렸다. 이 배터리는 독일 폭스바겐에 공급되고 있다.

테슬라의 모델3에는 NCM811 배터리가 들어간다. 2021년부터는 LG화학과 미국 제너럴모터스(GM)가 공동 개발 중인 '얼티움' 배터리가 순차적으로 출시되는 20여종의 전기차에 탑재될 예정이다. 이 배터리는 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재를 사용한다. 이 배터리에서 니켈 비중을 90% 이상으로 높이면, 600km 이상의 주행거리가 가능해질 것으로 전망된다.

• SK이노베이션 :

참고자료

• 이광영 기자, 〈K배터리, 中 못 만든 '하이니켈 배터리'로 글로벌 선두 굳힌다〉, 《IT조선》, 2020-12-20
• 구윤모 기자, 〈Tech 스토리 전기차 배터리, '니켈 함유량' 경쟁…'하이니켈' 왜 뜨나〉, 《뉴스핌》, 2020-09-06

같이 보기

• 코발트
• 니켈

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