양극재로본 전기차 리튬이온 배터리 종류와 장단점 (NCM,NCMA, NCA,LFP)

자우선 들어가기 앞서 필자의 앞선글라스에서 리튬이온 배터리에 대하여 이야기했었다

 

그동안 기본적인 이론에대해서는 리튬이온 배터리를 알기 위해서는 이러이러한 것들을 알아야 한다 정도의 개념을 다뤘지만

 

오늘은 그중 양극제에 대하여 깊이있게 다뤄볼 것이다.

 

리튬이온 배터리의 원리, 구성요소와 장단점

 

1. 양극재가 뭔데?

 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해질, 분리 막을 구성요소를 가지고 있고, 이중 양극재는  제조원가의 35% 이상을 차지하는 비싼 소재다.역할에 대해서 이야기해 보자면 가장 중요한 평균 전압을 결정하고 용량을 결정하는 가장 중요한 소재로 이해하고 다음이야기를 진행해 보자

 

출처 포스코 뉴스룸

 

 

 리튬이온배터리는 화학전지로 간단히 설명하면 양극재에서 나온 이온이 음극재로 이동하는 과정이 충전 그 반대가로 가며 외부로 전기에너지를 방출하면 방전이 된다. 결론적으로 양극재와 음극재의 이동 이자체가 배터리의 핵심 개념이라고 잡으면 편할 것이다.

 

2. 양극재의 조합에 따른 구분

사실 리튬이온 배터리에서 삼원계란 이름은 사실 3개 물질을 조합한 양극 활물질이라는 개념에서 온 것으로 4개를 사용하면 개념적으로 4원계가 된다.

 

사실기존 LCO라는 기존의 리튬코발트 산소로 만들어진 초기단계의 배터리가 존재했으나 코발트수급에 대한 불안정과 가격이 문제가 되어 대체기술이 연구되었고 그 이후 LMO·LFP가 만들어졌다, 코발트를 망간(M)으로 대체하기 위한 시도도 해보았지만 고온에서 작동에 문제가 되었고 지금은 LFP와 아래 배터리만을 사용하고 있다. 그렇다면 이에 대해 한번 이야기해 보자

• NCM(LNCMO)
• NCA
• NCMA
• LFP

NCM(LNCMO)

리튬코발트산화물(LCO)을 기반으로 니켈(Ni)과 망가니즈(Mn)를 결합한 양극재로 1:1:1 비율로 균일하게 구성되어 있다

 NCA(LNCAI)

리튬코발트산화물(LCO)을 기반으로 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al)으로 구성되어 집 8:1:1 주로 소형전지에 많이 쓰인다

NCMA

  NCMA 양극재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)로 구성된 NCM 양극재에 알루미늄(Al)을 추가한 조합 간단하게 접근하면 NCM에 A를 추가한 배터리로 니켈비중을 높이고 코발트함량을 낮췄다.

 

LFP

인산(P) 철(FE)을 사용한 것으로 코발트를 다른 물질로 아예 대체한 배터리 그로 인한 단점으로 에너지밀도가 낮고 무게가 많이 나간다. 하지만 가격이 하력 한다는 큰 이점과 ESS시스템을 보급하는 데는 아무런 문제가 없어서 중국 배터리 업체들은 LFP를 많이 생산하고 주행거리가 짧은 전기차에 사용되기에는 충분한 특성을 가지고 있어 테슬라또한도 이 배터리를

저가형 모델에 사용하기로 22년도 배터리 데이에 발표했었다.

 

3. 각원자의 역할은 뭘까?

니켈(Ni)

 

비중이 커질수록 배터리의 에너지 밀도가 높아진다

 

코발트(Co)

 

양극재의 부식을 막고, 안정성을 높이는 중요한 역할

 

망가니즈(Mn)

 

배터리의 안정성을 높이는 역할

 

알루미늄(Al)

 

배터리의 출력과 안전성

 

 

4. 시장의 트렌드

 우선 이야기하기 전에 하이니켈이라는 개념부터 잡고 가자  니켈의 함량을 더 높이고, 비싼 코발트 사용을 줄인 리튬이온배터리를 개발하는 것이 최근 트렌드로 잡힌 지는 오래되었다, 보통 60% 이상의 니켈 비율을 가진 배터리를 하이니켈배터리라고 정의하며 위에서 설명한 것처럼 이것은 에너지 밀도를 높이는데 필수적인 과정이라 풀이된다.

 

 사실 자동차의 원가에서 배터리가 대략 50% 차지하고 그중 양극재가 40~50%를 차지하고 있는 만큼 배터리의 가격저하는 곧 전기차의 가격저감으로 이어질 것은 자명한 사실이다.

 

 하지만 고니켈배터리의 문제는 NI이온의 불안정성으로 인하여 전해액과 부반응이 일어나 용량이 급격하게 저하되는 즉 수명저가하 급격하게 발생할 수 있다는 것이 가장 큰 고민거리다.

 

알아야 하는사실은 지금의 전기차 시장에서 대세는 하이니켈을 사용한 삼원계 라는것 정도의 개념이 가장 중요하다.

출처 배터리인사이드

 

이러한 문제를 해결하기 위해 LG 배터리 계열의 칼럼을 참고하면 농도구배형 배터리를 개발해 중심부에 니켈함량은 높게 외부의 니켈함량은 낮게 분포시키는 방식으로 어느 정도 답을 찾은 것으로 보인다.

 

5. 코발트 저감기술

 

하이니켈을 사용해 배터리의 효율을 더올리고 어느 정도 문제를 해결해도 가장 비싼 코발트를 저감 해야 한다는 이야기는 끊임없이 반복되고 있다. 실제로 테슬라는 2020년도에 주된 트렌드였던 제로코발트 배터리를 상용화했다고 발표하였고 국내 연구진 또한 꽤나 많은 연구를 진행한 것으로 보인다.

 

사실상 콩고 쪽에 대부분의 매장량이 집중되어 있다 알려진 대로  전쟁리스크가 큰 상품이고 지금도 가격 리스크에 문제를 가지고 있다.

 

일론머스크는 인베스터데이에서 소형전기차와 트럭에는 사용한다고 발표했고, 그의 주장으로는 말한 대로 현시장에서 LFP가 15%에서 60%대로 올라갈 것이라는 게 주장이다.

 

국내기어 LG 삼성 SK또한도 LFP를 생산하겠다고 발표한 지 시간이 오래되었고 사실 생산기술연구나 발전이 리튬이온에 비해 어려운 편은 아니라 시설을 투자와 향후 고객유치를 위한 발표로 보여지기는 한다.

 

주된 배터리의 전쟁이 어디로 흘러갈지는 모르겠지만 결국 완전히 다른 대체물질을 찾아낼지 새로운 방식을 발견할지는 꽤나 흥미롭게 지켜봐야 할 것 같다.