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NCM
NCM(LiNiMnCoO2)은 일명 K-배터리라고 불리는 리튬 이온 배터리의 일종으로 니켈, 코발트에 망가니즈를 추가한 양극재를 사용하는 삼원계 리튬 하이니켈 배터리이다. 엔씨엠 배터리라고 읽는다. 한국어로는 니켈 코발트 망가니즈 배터리라고 할 수 있다.
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목차
개요
NCM(니켈·코발트·망간)은 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. [1]
종류
NCM111
NCM111은 소재 비중이 각각 33%를 차지한다. 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. 삼성SDI가 BMW I3 용 배터리에 NCM111 배터리를 공급하고 있다.
NCM523
NCM523은 친환경차 배터리 핵심 재료인 니켈(N)과 코발트(C), 망간(M)이 5:2:3 비율로 제조된 것이다. NCM523은 중국 BAIC EU5, 지리자동차 엠그란드 EV, BYD 위안(元) EV(42kWh) 등 중국 순수 전기차 모델과 닛산 리프(40kWh)에 탑재된다. 중국 배터리 업체인 CATL, BYD, AESC가 제조해 공급한다.[2]
NCM622
NCM622 배터리는 니켈 60% 코발트 20% 망간 20% 조합이다. NCM622 배터리를 두고 LG화학과 SK이노베이션이 배터리 소송에 이어 세계 최초를 두고 서로 거짓말을 하고 있다고 다투기도 했다. 니켈은 배터리 용량과 관계하는 양극활 물질이다. 코발트와 망간은 안전성을 확보하기 위해 필요하다. 니켈 함량을 높이면 용량을 늘릴 수 있지만 폭발 위험이 증가한다. 양극활물질 조합 기술은 배터리 업체 경쟁력과 직결된다. 양사가 NCM622를 두고 자존심 대결을 하는 이유다. 세계 최초는 말 그대로 맨 처음이다. 둘은 있을 수 없다. SK이노베이션은 2014년 LG화학은 2016년 NCM622를 세계 최초 양산했다고 주장했다. 시점만 보면 SK이노베이션이 최초다. 정부는 2011년 현대기아자동차와 준중형 전기차 개발에 착수했다. 1~2차연도는 LG화학과 SK이노베이션이 같이 참여했다. 2013년 3차연도에 단독 업체를 선정했다. SK이노베이션이 낙점을 받았다. NCM622를 제안했다.
2014년 출시한 기아자동차 쏘울EV은 SK이노베이션이 공급한 배터리를 채용했다. 쏘울EV는 1회 충전해 148km를 주행할 수 있다. LG화학은 GM과 손을 잡았다. 2016년 출시한 쉐보레 볼트EV에 NCM622를 납품했다. 볼트EV는 1회 충전으로 320km를 달린다. LG화학은 쏘울EV 주행거리를 지적했다. NCM622라면 주행거리가 더 길어야 한다는 주장이다. 280~400km를 기대했다. 또 시장조사기관 SNE리서치 등의 2016년 기준 NCM622 기술 보유 업체 목록에서 SK이노베이션을 찾을 수 없다고 공격했다. SK이노베이션은 셀 개수와 밀도 등에 따라 주행거리는 달라질 수 있다고 반박했다. 2019년 LG화학은 볼트EV와 현대차 코나EV에 NCM622를 판매했다. SK이노베이션은 같은 기간 기아차 니로에 NCM811과 NCM111을 혼합해 출고했다.[3] 최종적으로 SK이노베이션은 LG에너지솔루션에 총 2조 원의 합의금을 지불하기로 하고 배터리 소송에 합의했다.
NCM622는 현대차 코나 일렉트릭, 아우디 E-Tron EV, 재규어 I-Pace, 닛산 리프(62kWh), 장성기차 ORA iQ 등에 탑재된다. 이 모델들은 LG화학과 중국 AESC, 파라시스로부터 배터리를 공급받는다.[2]NCM622은 전기차뿐 아니라 플러그인하이브리드차(PHEV)와 에너지저장장치(ESS)까지 대응할 수 있는 파우치형 배터리이다. NCM622 주행 가능 거리는 400~500Km 수준이다.
NCM712
NCM712 리튬이온 배터리는 양극재 핵심 소재인 니켈, 코발트, 망간을 7:1:2 비율로 구성한 배터리다. 에너지 밀도 향상에 도움을 주는 니켈 함량을 70%로 높이고, 코발트 비중을 10% 수준으로 줄인 것이 특징이다. 대신에 망간 사용량을 20%로 맞춰 그동안 제기됐던 안정성 문제를 개선했다.
2020년 1분기부터 LG화학은 신형 양극재인 NCM712를 적용한 전기차 배터리 양산을 시작했다. LG화학이 전기차 배터리에 NCM712를 사용한 것은 이번이 처음이다. 폴란드 브로츠와프 공장에서 생산되고 있다.[4] LG화학의 NCM712 배터리를 탑재한 전기차 주행거리는 500㎞ 이상으로, 유럽 완성차 업체들의 주문 요청도 늘고 있다. 이 배터리는 독일 최대 자동차 업체인 폭스바겐이 최근 출시한 준중형 SUV 전기차 ID.4에 탑재됐다.[5] GM 전기차 볼트EV에도 LG화학 NCM712 배터리가 적용된다.[6]
NCM811
NCM811은 리튬이온배터리의 양극재 활물질로 니켈(N), 코발트(C), 망간(M)을 8:1:1 비율로 사용한다는 뜻이다. LG화학은 원통형 NCM811 배터리를 테슬라의 중국판매용 모델3와 미국 루시드모터스의 루시드에어에 공급하고 있다. SK이노베이션은 국내 서산과 중국 창저우, 헝가리 코마롬 공장에서 NCM811(파우치형) 제품을 만들고 있다. 2018년부터 NCM811 배터리를 양산하며 중국 베이징자동차그룹의 프리미엄 전기차 아크폭스(ARCFOX) SUV 마크5와 현대기아차의 유럽판매용 코나·니로 전기차에 공급하고 있다. 세계 2위 배터리업체 CATL은 그동안 양극재에 인산(P)과 철(F)이 들어가는 LFP 방식을 사용해 왔으나 짧은 주행거리 단점을 보완하기 위해 2019년부터 NCM811 각형 배터리를 생산해 보급하고 있다. 하지만 CATL의 NCM811 리튬이온배터리를 탑재한 전기차에서 잇따라 화재가 발생했다. 이 배터리를 탑재한 광저우자동차(GAC)의 전기차 아이온S에서 2020년 5월와 8월에 총 3건의 화재가 발생했다. 화재 원인은 정확하게 밝혀지지 않고 있지만 배터리가 유력하게 지목되고 있다. 푸조 e-208과 e-2008, 오펠 코르사-e도 CATL의 NCM811 배터리를 탑재했다.
NCM811 배터리는 2023년부터 전체 배터리시장의 약 70%를 차지할 것으로 분석되고 있다. NCM811 배터리는 전기차 주행거리가 500km로 늘어나며 비싼 코발트 사용을 줄여 원가를 절감할 수 있다.[7]
NCM 구반반(9½½)
SK이노베이션이 개발한 니켈과 코발트, 망간 비중이 각각 90%, 5%, 5%인 NCM 배터리로 2021년 12월 양산할 계획이다. 양극재 전문업체로부터 NCM 양극재를 공급받아 배터리 제조 원가를 절감하고, 안정적 수익구조를 구축한다. 이 배터리는 국내 유일 파우치형 NCM 배터리가 될 전망이다. 코발트 사용량을 5%로 줄여 제조단가를 낮추고, 니켈 비중을 90% 이상 높여 주행거리를 끌어올렸다. 전 세계 배터리 업체들은 에너지 밀도 향상을 위해 니켈 비중을 높이는 것이 최대 과제다. 그러나 니켈 비중이 높아지면 배터리 안정성이 훼손되는 단점이 있다. SK이노베이션은 독자적인 분리막 기술로 니켈 함량을 높이면서 안정성을 강화하는 데 성공했다. 특히 니켈 비중이 90%에 이르는 고밀도 배터리를 상용화하는 것은 SK이노베이션이 처음이다. 이 배터리가 탑재되면 전기차 주행거리가 700㎞까지 늘고 충전 시간도 대폭 단축할 수 있을 것으로 기대된다.
미국 자동차 업체 포드가 오는 2023년 출시 예정인 전기 픽업트럭 F-150에 SK이노베이션의 NCM구반반 배터리를 탑재한다. SK이노베이션은 포드의 신차 출시 일정에 맞춰 NCM구반반 배터리 양산을 준비하고 있다. 이를 위해 미국에 하이니켈 NCM 배터리 전용 생산시설을 짓고 있다. SK이노베이션의 전기차 배터리 자회사 SK배터리아메리카(SKBA)가 총 25억달러를 투자해 미국 조지아주에 21.5GWh 규모의 배터리 1, 2공장을 짓고 있다. 미국 전기차 배터리 공장은 일자리 6,000여개를 만드는 최대 50억 달러 규모의 투자 프로젝트이다.[8]
장단점
장점
- 에너지 밀도 높음
- 에너지 출력이 좋음
- 가벼움
단점
- 열에 취약하고 불이 나게 되면 전소할때 까지 나둬야 함(상대적으로 안정성이 떨어짐)
- 상대적으로 비쌈(양극재에 들어가는 코발트 가격이 비싸고 구하기 힘듬)
- 상대적으로 충방전 사이클이 짧음
삼성의 경우
각형 배터리 양극재를, NCM 811로 바로 넘어가지 않고 NCA를 적절히 섞은 양극재를 선택
LG의 경우
NCM 622를 구현하고 있으며 NCM712를 거쳐 NCM811을 양산. 이미 원형전지에서 NCM811 기술 적용 중.
각주
- ↑ 박민규 기자, 〈ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03
- ↑ 2.0 2.1 박영민 기자, 〈니켈 함량을 높여라…전기차 배터리 대세는 'NCM523'〉, 《지디넷코리아》, 2019-08-21
- ↑ 김도현 기자, 〈NCM622 배터리, 세계 최초는 누구?…LG화학 vs SK이노, “우리가 먼저”〉, 《디지털데일리》, 2020-09-25
- ↑ 이수환 기자, 〈LG화학, 전기차 배터리 신소재 'NCM712' 접목〉, 《디일렉》, 2020-06-01
- ↑ 김지웅 기자, 〈LG화학, NCM 배터리 유럽 사업 확장…폭스바겐 등 탑재 러시〉, 《전자신문》, 2020-08-30
- ↑ 이재은 기자, 〈테슬라·LG화학이 '코발트 제로' 배터리 꿈꾸는 이유는〉, 《조선비즈》, 2020-06-15
- ↑ 윤병효 기자, 〈‘리튬이온배터리’ 韓•中 격차‘양극재 특허기술’이 갈랐다〉, 《전기신문》, 2020-09-17
- ↑ 김지웅 기자, 〈SK이노 '니켈 90%' NCM 전기차 배터리 세계 첫 상용화〉, 《전자신문》, 2020-08-09
참고자료
- 박민규 기자, 〈ER궁금증 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?〉, 《이코노믹리뷰》, 2020-10-03
- 이수환 기자, 〈LG화학, 전기차 배터리 신소재 'NCM712' 접목〉, 《디일렉》, 2020-06-01
- 김지웅 기자, 〈LG화학, NCM 배터리 유럽 사업 확장…폭스바겐 등 탑재 러시〉, 《전자신문》, 2020-08-30
- 윤병효 기자, 〈‘리튬이온배터리’ 韓•中 격차‘양극재 특허기술’이 갈랐다〉, 《전기신문》, 2020-09-17
- 박영민 기자, 〈니켈 함량을 높여라…전기차 배터리 대세는 'NCM523'〉, 《지디넷코리아》, 2019-08-21
- 이재은 기자, 〈테슬라·LG화학이 '코발트 제로' 배터리 꿈꾸는 이유는〉, 《조선비즈》, 2020-06-15
- 김도현 기자, 〈NCM622 배터리, 세계 최초는 누구?…LG화학 vs SK이노, “우리가 먼저”〉, 《디지털데일리》, 2020-09-25
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