삼원계 배터리

LG화학에서 생산 중인 NCM 배터리 제품들

삼원계 배터리는 기본적으로 니켈과 코발트를 합성하여 만드는 LCO에 추가로 다른 원소를 합성하여 만든 것으로 세가지 원소가 들어가서 삼원계라고 한다. 국내 업체가 생산하는 NCM(니켈·코발트·망간) 계열 및 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등이 삼원계 배터리이다.

NCM 배터리는 니켈 소재로 만들어져 에너지 밀도가 높다. 덕분에 1회 충전 주행가능 거리가 길다. 여기에 출력, 이른바 최대토크가 좋다는 장점이 있다. 크기가 상대적으로 자동차 실내 공간을 더 많이 확보하는 데 유리하다. 반면 가격 경쟁력이 떨어진다. 특히 코발트 가격이 비싸다. 배터리 업계에서는 이런 문제를 해결하기 위해 니켈 비중을 늘리고 코발트 비중을 낮추는 연구를 진행 중이다.

NCA는 일본 파나소닉이 미국 테슬라에 납품하는 원통형 배터리셀에 사용되며 주목을 받았다. NCA는 일찍이 니켈·코발트·알루미늄 비중이 8:1:1인 구성을 사용해 왔다.

이런 삼원계 배터리에 맞서는 경쟁자는 중국 기업 CATL이 주력으로 내세우는 LFP 배터리가 있다. LFP 배터리는 리튬ㆍ철ㆍ인산이 주요 원재료다. LFP 배터리는 상대적으로 안전하다는 게 장점이다. 이 안에 들어가는 철은 가장 안정적인 소재 중 하나다. LFP 배터리가 안정적으로 평가받는 이유도 이 '철' 때문이다.가격도 싸다. 값비싼 코발트 대신 저렴한 철을 사용해 가격을 낮출 수 있다. 물론 단점도 있다. 에너지 밀도가 낮아 주행 가능 거리가 짧다. 삼원계 배터리보다 출력도 떨어진다. 출력이 떨어지고 주행거리가 짧다는 것은 더 많은 배터리의 장착이 필요하다는 뜻이다. 자연스레 배터리가 차지하는 공간이 커지고 차 실내 공간이 좁아진다는 단점도 있다.

하지만 이런 삼원계 배터리는 점차 NCMA(엔씨엠에이) 등 사원계 배터리로 점차 바뀌고 있다.

상세

• NCM(니켈·코발트·망간)'

현재 중대형 2차전지에 가장 많이 쓰이는 양극재로, 서구권에서는 구성 요소의 순서를 바꿔 NMC으로 부르기도 한다. NCM에 대한 정확한 표현은 LNCMO인데, 즉 NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 양극재다. LCO 내 코발트 비중을 쪼개 니켈·코발트·망간 등으로 재구성한 것이다. 최초의 NCM은 니켈·코발트·망간 비중이 1:1:1이었으나, 최근에는 에너지 밀도를 높이는 니켈의 함량을 극대화하고 값비싼 코발트는 줄여 원료 가격 변동에 따른 충격을 최소화하는 쪽으로 개선되고 있다. 이를 통해 니켈 비율이 60% 이상으로 구현된 양극재를 이른바 하이니켈(high-nickel)'이라 일컫는다. 즉 'NCM 811' 배터리는 니켈 80%·코발트 10%·망간 10% 비율로 구성된, 하이니켈의 대표적 사례인 셈이다.

LG화학·삼성SDI·SK이노베이션 등 국내 배터리 업체들이 NCM과 하이니켈에 주력하고 있다. 앞서 LG화학은 2020년 2월부터 테슬라에 모델 3용 원통형 NCM 811 배터리를 공급해 왔으며, 폴란드 공장에서 니켈 함량을 높인 파우치형 차세대 배터리를 양산하기 시작한 것으로 알려졌다. NCM 622를 NCM 712로 개선했다는 설명이다.

SK이노베이션도 최근 니켈 비율을 90%까지 확대한 'NCM 구반반(9½½)' 배터리 개발 소식을 알린 바 있다. 해당 배터리는 미국 포드에 공급될 예정으로, 오는 2023년부터 양산된다.

NCM 계열에는 NCM111, NCM523, NCM622, NCM712, NCM811, NCM 구반반(9½½) 등이 있다.

• NCA

NCM 배터리가 NCM 622나 NCM 811 등으로 나뉘는 것과 달리, NCA는 따로 구분되지 않는다. NCA는 일찍이 니켈·코발트·알루미늄 비중이 8:1:1인 구성을 사용해 왔으며, 이미 하이니켈 양극재 중 하나이기 때문이다.

NCA를 주로 사용하는 배터리 업체로는 파나소닉과 삼성SDI가 있는데, 두 업체 모두 원통형 배터리의 양극재로 NCA를 적용하고 있다.

NCA 배터리는 삼성SDI의 독자 소재가 접목된 배터리다. 삼성SDI는 니켈 함량을 88%까지 높여 에너지 밀도를 업계 최고 수준으로 끌어올렸다. 이미 소형 전지에는 적용된 상태로 전기차용 NCA 양극재 및 배터리 개발을 완료한다는 계획이다. NCA는 NCM(니켈·코발트·망간), LMO보다 출력과 에너지밀도가 높다. NCA 5세대 전기차배터리는 1회 충전 시 600킬로미터(km) 이상 주행이 가능하다. 업계에 따르면 이 배터리는 앞서 삼성SDI와 장기 공급계약을 맺은 BMW의 신규 전기차 모델에 우선 탑재될 전망이다.

NCA 배터리는 기존 NCM 배터리 원료로 망간 대신에 알루미늄을 넣어 안전성 문제를 해결했다. 삼성SDI는 2020년 2월 양극재 업체 에코프로비엠과 협력, NCA 양극소재공장 신설을 위한 합작법인을 설립했다. 양극재 생산시설은 2021년 완공될 예정이다.

참고자료

• 김대영 김벼리 기자, 〈한ㆍ중 전기차 배터리 전쟁…삼원계 vs 리튬인산철〉, 《이투데이》, 2021-03-02
• 박민규 기자, 〈ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03
• 정민주 기자, 〈삼성SDI, 'NCA 배터리' 출력 자신감 비결은?〉, 《이비엔》, 2020-09-04
• 전자신문, 〈창간특집 K-배터리, 하이니켈 배터리로 글로벌 선두 굳힌다〉, 《네이버 포스트》, 2020-10-02

같이 보기

• NCM
• NCMA
• NCA
• LFP

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