배터리에도 변화의 바람이 일고 있습니다. 기존 배터리의 단점과 한계를 극복하기 위한 노력도 계속 이어지고 있는데요. 한 제품에 대해 자세히 살펴보는 ‘FOCUS ON’에서는 배터리의 용량과 수명, 생산 가격 등을 크게 개선해 차세대 배터리 소재로 평가받는 하이니켈 단결정 양극재에 대해 자세히 알아보겠습니다.
양극재는 리튬이온배터리의 에너지원으로, 배터리의 효율과 성능을 좌우하는데요. 양극재에 대한 이야기가 궁금하시다면 ‘배터리 소재의 선두 주자, LG화학! 양극재 1만 톤 생산라인을 구축한 비결은?’ 혹은 ‘폴리머 인사이트 #39 이차전지의 핵심, 양극재(Cathode Material)’를 참고해주세요.
하이니켈 단결정 양극재(Single-Crystal High-Nickel Cathode)란 무슨 뜻일까요? 먼저 하이니켈부터 알아보겠습니다.
양극재는 활물질의 종류에 따라 NCM, NCMA, NCA, LFP 등 여러 종류로 나뉩니다. 그중에서도 주로 전기차 배터리로 활용되는 NCM 양극재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)으로 이루어지는데요. 하이니켈(High-Nickel) 양극재는 코발트의 비중을 낮추고 니켈 함량을 80% 이상으로 크게 높인 양극재를 말합니다. 예를 들어 NCM811은 니켈, 코발트, 망간이 8대 1대 1의 비율로 구성된 하이니켈 양극재를 뜻합니다.
양극재에서 망간과 코발트가 안전성을 담당한다면, 니켈은 용량을 결정하는 금속입니다. 니켈 함량이 많아지면 리튬층으로 들어올 수 있는 리튬의 개수가 다른 금속과 비교해 현저히 많아지는데요. 따라서 니켈 비중을 높일수록 에너지 밀도가 높아져 배터리의 성능이 개선됩니다.
생산 원가가 줄어든다는 것도 하이니켈 양극재의 큰 장점입니다. 배터리의 원료 중에서 가장 비싼 코발트의 함량을 낮추어 원자재 가격 변동에 대비하고 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다.
그럼 단결정(Single-Crystal) 양극재란 무슨 뜻일까요? 니켈, 코발트, 망간 등 여러 금속을 하나의 입자 형상(One-body)으로 만든 소재를 말합니다. 단입자 양극재라고도 불리며, 수명과 용량이라는 차세대 전지의 핵심 과제를 해결할 게임 체인저로 꼽히는데요.
기존 양극재는 금속 입자들을 작게 뭉쳐 만든 다결정(다입자) 구조였습니다. 충전과 방전이 반복될수록 소재 사이에 틈이 벌어지는데요. 이때 틈에서 가스가 발생하며 전지 수명이 점차 줄어들고 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하기도 합니다.
그러나 단결정 양극재는 여러 금속 입자를 단일 입자로 구성해 가스 발생이 적어서 안정성이 높아지고 배터리 수명 또한 기존보다 30% 늘어납니다. 더불어 용량도 10% 이상 늘어나는데요. 이는 단결정 양극재가 기존 양극재보다 밀도를 더 높일 수 있기 때문입니다. 예를 들어 기존 양극재로 만든 배터리를 탑재한 전기차가 한 번 충전에 500km를 간다면, 같은 크기와 무게의 단결정 양극재 배터리로는 550km 이상 주행할 수 있습니다.
정리하자면, 하이니켈 단결정 양극재란 양극재를 이루는 금속 중 니켈의 함량을 최대한 끌어올리고(비율의 변화: 하이니켈), 이들을 하나의 입자로 구성하여(구조의 변화: 단결정) 배터리의 성능과 수명을 크게 개선한 차세대 배터리 소재입니다.
LG화학은 2023년 6월, 국내 최초로 하이니켈 단결정 양극재 양산을 시작했습니다. 청주 양극재 공장에서 이루어지는 초기 양산에서는 단결정 양극재와 기존 양극재를 2 대 8 비율로 혼합해 생산하고, 순차적으로 단결정 양극재를 100%로 바꿔 나갈 예정입니다. 적용하는 제품도 파우치형을 비롯해 4680 원통형 배터리(지름 46mm·길이 80mm) 등 점차 다양해집니다.
이번 시간에는 차세대 배터리 소재, 하이니켈 단결정 양극재에 대해 알아보았습니다. 우리나라를 넘어 전 세계로 뻗어나가는 전지 소재 리더 LG화학의 양극재, 그리고 국내 최초로 LG화학에서 생산하는 하이니켈 단결정 양극재에 앞으로도 많은 관심과 응원을 부탁드립니다!
hi man