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하이니켈 배터리
하이니켈계 배터리(high-nickel Battery)는 코발트 비중은 낮추고 니켈 비중은 최대한 끌어올린 리튬이온 배터리를 말한다. 하이니켈은 K-배터리 기술의 핵심이다.[1] 현대차 아이오닉5에 SK이노베이션 하이니켈 배터리가 탑재되었다.
상세
LG화학을 비롯한 국내 배터리 업체들은 현재 주류인 NCM(니켈·코발트·망간)' 배터리에 주력하고 있다. 특히 니켈의 함유량을 높이는 데 역량을 집중하고 있다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도를 향상시키는 데 핵심적 역할을 하는 원료로, 즉 배터리 성능과 용량은 니켈 비중에 비례한다. LG화학은 2020년 폴란드 공장에서 파우치형 차세대 NCM 배터리 양산에 돌입했다. 전기차용 배터리로 주로 쓰이는 기존 NCM 622 배터리를 개선한 NCM 712 배터리로, 독일 폭스바겐에 공급된다. 니켈 함량을 60%에서 70%로 끌어올리면서, 전기차 주행 거리도 400~500km에서 500km 이상으로 늘렸다. LG화학의 경우, 이미 2020년 2월부터 테슬라 모델 3에 원통형 'NCM 811' 배터리를 납품해 왔다. 파우치형 배터리의 경우 니켈이 80%를 넘으면 화학적 안정성이 떨어질 수 있으므로 상대적으로 개발이 늦어지고 있지만, 소형 전지인 원통형 배터리는 니켈 비중이 80%인 NCM 811 양극재를 적용해도 문제 없다는 설명이다. LG화학과 미국 제너럴모터스(GM)가 공동 개발 중인 얼티엄 배터리도 2021년부터 순차적으로 출시되는 20여종의 전기차에 탑재될 예정이다. NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재를 통해 니켈 비중을 90% 이상으로 높이면, 해당 배터리는 600km 수준의 전기차 주행 거리를 으로 시현할 것으로 예측되고 있다.
SK이노베이션도 니켈을 90%까지 확대한 'NCM 구반반(9½½)' 배터리 개발 소식을 알렸다. 해당 배터리는 미국 포드에 공급될 예정으로, 2023년 양산을 시작한다는 설명이다. SK이노베이션에 따르면 하이니켈의 화재 가능성을 최소화하기 위해 세라믹 코팅 분리막(CCS, Ceramic Coated Separator)의 품질을 한단계 개선했다. CCS는 내열성과 관통성을 크게 개선한 제품으로 배터리의 온도가 높아져도 단락이 발생하지 않아 화재의 위험이 적다. 머리카락 25분의 1 수준인 4 마이크로미터 두께인데 내구성이 우수하다는 평이다.
삼성SDI도 하이니켈에 집중하고 있다. 삼성SDI는 현재 소형 배터리에 니켈 함량 88% 이상을 구현하는 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 기술을 적용하고 있으며, 독일 BMW가 내년 출시하는 차세대 전기차에도 해당 기술이 접목된 '젠5(5세대)' 배터리를 제공할 계획이다.[2]
장단점
통상 배터리의 성능은 양극활물질의 적합한 조합을 통해 완성된다. 배터리는 니켈이 많을 수록 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 전기차에 적합한 배터리는 NCM(니켈, 코발트, 망간 조합)과 NCA(니켈, 코발트, 알루미늄 조합), NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄)이 주로 쓰인다.
양극에 어떤 활물질이 쓰이는지에 따라 배터리의 출력과 용량을 결정된다. 활물질를 어떻게 배합하는지에 따라 저장되는 전자의 수가 달라지고 배터리의 용량과 전압이 달라진다. 니켈은 고용량과 관련 있고, 망간과 코발트는 안전성과 관련있다. 니켈의 함량이 많아지면 리튬층으로 들어올 수 있는 리튬의 개수가 다른 금속과 비교해 2배 이상 많아진다. 니켈 비중을 높일 수록 에너지 밀도가 높아져 전기차의 성능이 개선된다.
하이니켈 배터리는 생산 원가가 저렴해지는 장점도 있다. 배터리 원료 중 가장 원가가 높은 건 코발트다. 코발트는 양극재에서 차지하는 비중은 10~20%인데, 원가는 니켈과 망간을 합한 것보다 비싸다. 양극재가 배터리 원가 중 30% 이상을 차지하는 것도 코발트 때문이다. 이 때문에 코발트 함량을 낮추면 배터리의 원가를 절감할 수 있고, 원가 변동에서 비교적 자유로울 수 있다. 소비자가 전기차 구매를 망설이는 이유 중 하나는 가격인데, 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.
하지만 니켈 비중을 높이면 배터리의 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 하이니켈 배터리가 장시간 공기에 노출되면 불순물이 형성되고 부식될 수 있다. 배터리 내 잔류한 리튬은 가스를 발생시켜 폭발을 일으킬 수 있다. 하이니켈 배터리는 구조적 불안정성 등으로 인해 수명이 짧다는 단점도 있다.
SK이노베이션과 LG화학 등 배터리 업체들은 하이니켈 배터리 기술을 일찍이 개발했지만 상용화하지 않았다. 2020년부터 전기차의 판매량이 급증하면서 본격적인 전기차 시대가 열렸고, 완성차 업체와 배터리 업체들은 하이니켈 배터리를 상용화하기 시작했다.[3]
NCMA 배터리 확산 전망
니켈 90%의 하이니켈 배터리가 장착되면 전기차 주행거리가 현재보다 100㎞ 이상 늘어난 600㎞를 상회할 것으로 업계는 보고 있다. 서울에서 부산까지 직선거리가 약 300㎞인 점을 감안하면 1회 충전으로 부산을 왕복하고, 전국 어디나 갈 수 있는 셈이다.
이런 장점 때문에 배터리 업계는 니켈 함량을 높이는 데 연구개발을 집중했는데 NCMA가 첫테이프를 끊으면서 NCMA 배터리의 채택 확대와 하이니켈 기술 경쟁이 가속화할 전망이다. 실제로 2021년 하반기 테슬라 전기차에 이어 GM도 NCMA 배터리 탑재를 추진하고 있다. GM은 LG에너지솔루션과 미국에 배터리 합작사를 짓고 있는데, 이곳에서 NCMA 배터리를 생산해자사 전기차에 탑재할 계획이다. 중대형 전기 픽업 트럭 하머 탑재가 추정된다. 당초 GM은 2022년 NCMA 배터리 탑재를 계획했다. 하지만 GM이 신차 출시를 앞당기면서 하이니켈 NCMA 배터리 장착도 서두르고 있는 것으로 보인다.
주행성능이 향상된 배터리 등장으로 다른 전기차와 배터리 업체들도 니켈 함량을 높이는 쪽으로 기술 개발에 속도를 낼 것으로 관측된다.
업계에 따르면 삼성SDI는 내년 니켈 80% 후반대 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리를, SK이노베이션은 2023년 니켈 90% NCM 배터리 양산에 돌입할 계획이다. 삼성SDI와 SK이노베이션이 니켈 80%~90%대 NCA, NCM 배터리를 개발, 탑재하는 건 처음이다. 니켈 함량을 높여 전기차 배터리 성능을 높이고 전기차 채택을 늘리려는 시도다.[4]
각주
- ↑ 이광영 기자, 〈K배터리, 中 못 만든 '하이니켈 배터리'로 글로벌 선두 굳힌다〉, 《IT조선》, 2020-12-20
- ↑ 박민규 기자, 〈하이니켈 vs 니켈프리, 전기차 배터리 1·2위의 패러다임 전쟁〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-09-02
- ↑ 구태우 기자, 〈SK이노 '하이니켈 배터리' 탑재한 현대차 '아이오닉5', 화재 위험은?〉, 《블로터》, 2021-02-23
- ↑ 김지웅 윤건일 기자, "(이슈분석) 전기차 배터리 니켈 90% 하이니켈 전환 스타트", 《전자신문》, 2020-12-16
참고자료
- 박민규 기자, 〈하이니켈 vs 니켈프리, 전기차 배터리 1·2위의 패러다임 전쟁〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-09-02
- 구태우 기자, 〈SK이노 '하이니켈 배터리' 탑재한 현대차 '아이오닉5', 화재 위험은?〉, 《블로터》, 2021-02-23<
- 이광영 기자, 〈K배터리, 中 못 만든 '하이니켈 배터리'로 글로벌 선두 굳힌다〉, 《IT조선》, 2020-12-20
- >김지웅 윤건일 기자, "(이슈분석) 전기차 배터리 니켈 90% 하이니켈 전환 스타트", 《전자신문》, 2020-12-16
같이 보기
