폴리머 인사이트 #39 이차전지의 핵심, 양극재(Cathode Material)

미래의 핵심 산업 전지 시장

글로벌 최대 이슈는 ‘지속가능성’입니다. 지속가능성의 주목과 함께 급격하게 성장세를 보이는 분야가 있다면 바로 전기 자동차 시장이 아닐까 하는데요. 많은 자동차 제조회사에서 우선순위에 전기차를 올리고 출시에 박차를 가하고 있습니다. 왜 전기 자동차에 대한 수요가 높아지는 걸까요? 미국의 바이든 대통령은 당선되기 전부터 탄소 중립과 지속가능을 위한 목표를 확고히 밝혔습니다. 전 세계가 함께 모여 탄소 중립의 목표를 세우기도 했습니다. 미래 방향성을 지속가능성으로 설정한 뒤 어떻게 하면 인류가 환경을 지키며 살아갈 수 있는지를 고민했는데요. 이런 방향에서 전기차가 흥행하고 있습니다. 전기차의 흥행을 이끈 ‘테슬라’를 중심으로, 다른 자동차 제조회사들 역시 전기 자동차로의 전환을 가속화하고 있습니다.

전기 자동차 산업이 떠오르면서 함께 성장하고 있는 게 바로 ‘이차전지’입니다. 전기차뿐만 아니라 모바일, 디지털카메라, 노트북 등 여러 전자 제품에도 사용되는 것이 바로 이차전지입니다. 이차전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지와 달리 충전하여 반영구적으로 사용할 수 있습니다. 현재 이차전지 시장에서는 리튬이온배터리가 주로 사용됩니다. 리튬이온배터리는 가벼우면서 높은 용량으로 구현할 수 있어 전동 공구부터 가전, 전기차, 발전소 등에 두루 쓰입니다. 그럼 이 리튬이온배터리는 무엇으로 이루어졌을까요?

리튬이온배터리, ‘이차전지’의 심장 양극재

앞서 말한 리튬이온배터리는 충전할 수 있는 전지입니다. 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성되는데요. 양극재와 음극재는 배터리의 용량과 수명, 그리고 충전 속도를 결정하는 가장 핵심이 되는 소재입니다. 양극재는 리튬이온 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하고 음극재는 충전 속도와 수명을 결정합니다. 배터리가 충전될 때는 양극에서 리튬이온이 빠져나와 음극으로 이동합니다. 배터리가 방전될 때는 리튬이온이 다시 양극으로 돌아가며 외부 회로를 통해 저전류를 흐르게 합니다.

양극재는 양극을 이루며 배터리 특성을 결정하는 중요 요소인데요. 어떤 양극 활물질을 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정됩니다. 양극재는 리튬이온전지 재료비에서 약 40~45%의 비중을 차지해 리튬이온전지 원가에서 큰 부분을 차지합니다. 따라서 성능 외에도 시장 진입을 위해 원가 절감을 위한 혁신이 필요합니다.

양극재의 종류 및 시장 규모

양극재는 구조별로 크게 층상(layered), 스피넬(spinel), 올리빈(olivine)으로 구분합니다. 양극재 시장은 전기차 및 에너지저장시스템(ESS) 등의 수요가 급성장하면서 연평균 33% 증가하여 2025년에는 275만 톤 규모로 성장하리라 예측됩니다. 양극재 종류 중에서는 점차 NCM과 NCA계열이 가장 높은 점유율을 보일 것으로 추정됩니다. 특히 NCM은 2025년 기준으로 72%의 비중을 차지하리라 예상되는데요. NCM은 무엇일까요?

전기차용 배터리 시장의 대세, NCM

먼저 리튬이온배터리 양극재의 기본형인 ‘LCO(리튬·코발트·옥사이드)’는 소형 이차전지에 가장 많이 사용되는 양극재입니다. 모든 사람이 하나씩 가지고 있는 모바일의 이차전지에 쓰이는데요. LCO는 오래전부터 휴대폰용 배터리 등에 사용됐지만 전기차 분야에서 차지하는 비중은 거의 없었습니다. LCO 배터리의 단가가 높았기 때문입니다. LCO를 구성하는 광물인 코발트는 배터리의 안전성을 높이는 핵심 원료이지만 니켈이나 구리, 광산 등에서 부산물로 얻을 수 있어 세계적으로 채굴량이 적습니다. 전 세계 코발트 중 60% 이상이 아프리카 콩고민주공화국에서 생산되는데 정세 불안 등으로 코발트 공급이 불안정해지면서 가격 역시 치솟고 있습니다.

현재 NCM(니켈·코발트·망간)은 현재 중대형 이차전지에 가장 많이 쓰이는 양극재입니다. 서구권에서는 구성 요소의 순서를 바꿔 ‘NMC’로 부르기도 합니다. NCM에 대한 정확한 표현은 ‘LNCMO’인데요. NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 양극재입니다. LCO 내 코발트 비중을 쪼개서 니켈·코발트·망간 등으로 재구성된 양극재입니다. 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈의 함량을 극대화하고 값비싼 코발트는 줄여 원료 가격 변동에 따른 충격을 최소화하는 쪽으로 최근 개선되고 있습니다.

하이니켈 양극재 연구 개발

전기차 시장의 성장과 빠른 시장 진입을 위해 여러 기업에서도 양극재 연구 및 개발에 주력하고 있습니다. 앞서 말한 것처럼 이차전지 원가 절감이 필요한데요. NCM의 니켈 코발트 망간 비중이 1:1:1 이었던 것을 조절하며 에너지 밀도를 높인 양극재, 이른바 ‘하이니켈(high-nickel)’도 연구 및 생산 중입니다. ‘NCM811’ 배터리가 그 예인데요. 니켈 80% 코발트 10% 망간 10% 비율로 구성된 하이니켈의 대표적인 사례입니다.

양극재는 리튬이온배터리의 에너지원으로 전지의 성능, 안전성 및 가격 등에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 소재인 만큼 여러 기업에서 꾸준한 연구와 투자가 필요합니다. 우수한 배터리의 기술경쟁력은 배터리를 제조하는 데 쓰이는 음극재, 양극재 등에서부터 시작되기 때문입니다. 미래의 먹거리가 될 양극재에 많은 기업 및 연구기관에서 활발한 연구가 이루어지길 소망해봅니다.

콘텐츠 감수: LG화학 전지소재.사업개발.사업개발팀 이지희 사원