NCA

NCA양극재가 활용된 삼성SDI 원통형 배터리

NCA(엔씨에이, LiNiCoAlO₂)는 K-배터리로 불리우는 리튬 하이니켈 배터리의 일종으로 니켈과 코발트에 알루미늄을 추가한 차세대 삼원계 리튬 하이니켈 배터리이다. 엔씨에이 배터리라고 읽는다. 한국어로는 니켈 코발트 알루미늄 배터리라고 할 수 있다.

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개요

NCA는 일본 파나소닉이 미국 테슬라에 납품하는 원통형 배터리셀에 사용되며 주목을 받았다. 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.

NCA가 중대형 배터리 셀에 잘 쓰이지 않는 이유는 NCM 811의 중대형화가 어려운 이유와 같다. 니켈 비중이 커, 배터리의 에너지 밀도가 높지만 안정성은 낮아지기 때문이다. 반면 소형 배터리 경우 들어가는 양극재의 양이 적은 데다 극판을 돌돌 마는 방식으로 만들어지므로, NCA를 적용해도 안정성 확보가 용이한 편이라는 평가다.

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 에너지 밀도가 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.

NCA 양극재

금속 중 니켈은 에너지 밀도에 관여하고, 코발트와 망간은 안전성, 알루미늄은 출력 특성에 관여한다. 이런 이유에서 금속 조합 중 니켈 비중을 높이게 되면 전기차 배터리의 경우 주행거리를 높일 수 있는 배터리를 만들 수 있다. 요즘 배터리 업계에서 이야기되는 NCM811의 경우 니켈 코발트 망간의 비율이 80%, 10%, 10%를 의미하는데 이는 기존 NCM622보다 더 에너지 밀도가 높은 배터리다.

니켈 코발트에 알루미늄을 섞어 만든 양극재인 NCA는 타 양극재에 비해 에너지 밀도가 높고, 출력이 높은 이유에서 소형 전지 시장에서 전동공구용으로 많이 사용된다. 주로 원통형 배터리에 많이 탑재되는 양극재로 알려져 있다. 삼성SDI의 대부분 원통형 배터리에는 NCA를 양극재로 활용한 배터리고, 테슬라도 원통형 배터리를 전기차 배터리로 사용하는데 대부분이 NCA양극재 배터리다.

NCA 양극재를 배터리 업체들이 사용하는 이유는 에너지 밀도를 높이기 위함이다. NCM811과 같이 니켈 함량을 높여 더 많은 에너지 용량을 구현할 수 있다는 이유에서다. 망간 대신 알루미늄을 사용해 에너지 출력을 더 높이고 동시에 니켈 함량도 높인다는 것이다.

업계에 따르면 NCM과 NCA의 안정성 측면에서 누가 더 우위에 있다고는 말하기 힘든 것으로 나타났다. NCA가 NCM의 차이에 대해서는 크게 알려진 것이 없을 정도로 비슷하다. 관건은 니켈 함량을 높이게 되면 필연적으로 안전성 문제가 발생하는데 이를 적은 알루미늄이나 망간을 써서 안전하게 만드는 기술이다.

NCA양극재는 NCM811과 비슷하다고 볼 수 있으며 용량이 크고 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다. NCA 양극재는 현재 테슬라 모델S 시리즈에 들어가는 원통형 배터리에 사용되는 양극재인 만큼 전기차 시장에서도 주목하고 있는 재료이다.

NCA의 생산 난이도는 NCM보다 높다. NCM은 니켈 함량을 30%, 50%, 70%등으로 조절 가능하지만 NCA는 대부분이 니켈 함량이 80% 이상으로 높은 상태다. 니켈 함량이 높은 상태서 안전성을 담당하는 코발트나 망간의 비중을 줄이게 되면 상대적으로 안전성 구현에 높은 기술이 요구된다는 이유에서 생산 난이도가 더 높다는 것이다.

NCA의 단점은 NCM에 비해 수명이 짧다는 것이다. 통상 니켈 함유량이 높아질수록 배터리 수명은 더 짧아지는 것으로 알려져 있다.

삼성SDI NCA 양극재

삼성SDI는 니켈 함량이 88%에 달하는 전기차용 하이니켈 NCA 양극소재 개발을 2020년까지 완료하고, 니켈 함량 92%의 NCA 양극재를 에코프로비엠과 공동 개발, 2022년까지 최적의 니켈·코발트·알루미늄 조성을 갖춘 양극재로 전기차 배터리에 탑재할 수 있는 제품을 개발할 예정이다.

삼성SDI가 개발한 NCA 양극재는 리튬이온이 빠르게 움직이면서 화재 위험을 높여도 배터리 내부를 안정적으로 유지하는 것으로 알려졌다. 알루미늄이 배터리 온도가 급상승하는 것을 막는다. 이에 충·방전에서도 강점을 보일 전망이다. 스탠포드대학 연구팀은 이와 관련 NCM 배터리는 1000회까지 충·방전하면 열화가 시작되지만 NCA는 7500회 충·방전에도 용량 축소 현상이 일어나지 않는다고 밝혔다.

삼성SDI가 개발하는 제품은 니켈 함량을 92%로 끌어올린 하이엔드 NCA 양극재다. 여기에 코발트와 알루미늄 함량을 한자릿수로 줄인 것이 특징이다. 이를 통해 배터리 밀도를 올리고 안전성을 강화해 최적의 양극재 성능을 구현한다. 이 같은 성능을 내면서 배터리 제조단가도 낮춰 전기차용 배터리 적용을 확대해 나간다는 전략이다.

참고자료

• 정민주 기자, 〈삼성SDI, 'NCA 배터리' 출력 자신감 비결은?〉, 《이비엔》, 2020-09-04
• 박영민 기자, 〈대세는 하이니켈…삼성SDI, 5세대 車배터리에 NCA 양극재 적용〉, 《지디넷코리아》, 2020-09-03
• 전자신문, 〈창간특집 K-배터리, 하이니켈 배터리로 글로벌 선두 굳힌다〉, 《네이버 포스트》, 2020-10-02
• 김동규 기자, 〈배터리 용량을 늘려라...NCA 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2018-11-13
• 박민규 기자, 〈ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03

같이 보기

• 리튬 하이니켈 배터리
• LMO
• NCM

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