전기자동차를 타는 분들이라면 “배터리는 전기차의 심장”이라는 말을 자주 들어 보셨을 겁니다. 배터리는 전기차의 주요 에너지원인 만큼, 주행거리와 출력 같은 챠량의 성능을 좌우합니다.
그렇다면 배터리 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 무엇일까요?
그 답은 바로 양극재입니다. 양극재는 배터리 내부에서 리튬이온을 저장했다가 방출하는 역할을 하며 배터리의 전압과 에너지 밀도는 물론, 수명과 안전성에도 영향을 미칩니다. 그만큼 양극재는 배터리의 성격을 결정하는 핵심 소재라고 할 수 있습니다.
오늘은 전기차 배터리 성능의 중심에 있는 양극재에 대한 이야기를 해보려 합니다.
전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 전기를 발생시키는 원리로 작동합니다. 배터리는 양극과 음극, 전해질, 분리막 크게 네 가지 요소로 구성됩니다. 양극과 음극은 리튬이온을 받아들이고 내보내는 전극으로, 쉽게 말해 리튬이온이 머무는 저장소라고 이야기할 수 있습니다. 전해질은 리튬이온이 이동하는 통로역할을 하며, 분리막은 양극과 음극이 직접 맞닿지 않도록 막아주는 칸막이 역할을 합니다.
배터리를 충전할 때는 배터리 안의 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하며 에너지가 저장되고, 반대로 방전할 때는 음극에서 양극으로 이동하면서 전류가 흐르고 모터가 작동하게 됩니다.
양극재와 음극재는 리튬이온이 머무는 저장소처럼 이해하기 쉽지만, 더 정확하게 이야기하면 활물질이 포함된 전극이라고 보는 것이 더 정확합니다. 활물질(Active material)이란 배터리의 양극재, 음극재에서 화학적으로 반응해 전기 에너지를 만들어 내는 활성 물질을 의미합니다. 양극재 속 활물질을 ‘양극 활물질’, 음극재 속 활물질을 ‘음극 활물질’ 이라고 이야기합니다.
특히 양극 활물질은 리튬 이온을 저장했다가 배터리 충전 시 리튬이온을 음극으로 이동시키는 역할을 합니다. 여기서 어떤 활물질을 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 달라지기 때문에, 배터리 설계에서는 각 물질의 특성을 고려해 적절히 조합하는 기술이 중요합니다.
배터리에 사용되는 리튬은 원소 상태로는 반응성이 높기 때문에 일반적으로 산소를 포함한 구조로 안정화된 형태로 사용됩니다. 이 구조에 니켈, 코발트, 망간, 철 등 다양한 금속 성분을 조합하면 각기 다른 특성을 가진 양극 활물질을 구현할 수 있습니다. 양극재의 성능은 이러한 금속 원소의 조합과 비율에 의해 결정되기 때문에, 어떤 금속을 어떤 비율로 설계하느냐는 터리 소재 기술의 핵심 경쟁력으로 꼽힙니다.
이렇게 만들어진 양극재는 에너지 밀도에 따라 전기차의 주행거리를 좌우하고, 구조적 안정성에 따라 배터리의 안정성과 수명에도 영향을 미칩니다.
현재 사용되는 대표적인 양극 활물질에는 LCO, LFP, LMO, NCM, NCA등이 있습니다.
이 가운데 전기차 배터리에는 NCM, NCA, NCMA 계열 소재가 주로 사용됩니다. 이 소재들은 니켈을 중심으로 여러 금속 원소를 조합해 만든 양극 활물질로, 어떤 금속이 얼마나 포함되느냐에 따라 배터리 성능과 특성이 달라집니다.
각 금속 원소는 배터리에서 서로 다른 역할을 합니다. 니켈은 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 해 전기차의 주행거리를 늘리는 데 기여합니다. 코발트는 배터리가 보다 안정적으로 작동하도록 돕고, 망간은 안전성과 구조적 안정성을 높이는 역할을 합니다. 알루미늄은 구조적 안정성과 열적 안정성을 강화해 고전압 환경에서도 배터리 성능을 안정적으로 유지할 수 있도록 합니다.
이처럼 배터리는 적용되는 용도와 요구 성능에 따라, 다양한 조합의 양극 활물질로 설계됩니다.
보통 니켈 비중이 80% 이상인 양극재를 하이니켈, 60~80% 수준의 양극재를 미드니켈이라고 부릅니다. 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차의 주행거리와 용량 향상에 유리합니다.
LG화학에서는 이러한 특성을 바탕으로 고용량 하이 니켈, 고전압 미드 니켈 및LFP, LMR 양극재, 전구체 신공정(LGPF, LG’s Precursor Free)등 차별화된 기술을 적용한 양극재를 개발하고 있습니다. 하이니켈은 에너지 밀도 극대화와 주행거리 향상에 초점을 맞춘 프리미엄 양극재이며, 고전압 미드니켈은 구조적 안정성을 강화하면서 성능과 품질을 높인 소재입니다. LFP는 전구체 프리 공정과 고밀도 기술을 통해 경쟁력을 높이고 있고, LMR은 우수한 안전성과 에너지 밀도를 갖춘 차세대 양극재로 세계 최초 양산을 목표로 개발되고 있습니다.
이와 함께 전구체 신공정을 활용한 양극재는 전구체 공정을 배제해 가격 경쟁력이 향상되고, 제품 Grade별 각각의 전구체 개발이 필요 없어 개발에 들어가는 비용과 시간이 크게 절약됩니다. 더불어 에너지 사용 및 폐수 배출이 감소하는 친환경적 효과도 함께 얻을 수 있습니다. 이렇게 LG화학은 배터리 성능을 높이면서도 원가와 친환경성까지 고려한 양극재를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
전기차가 더 오래 달리고 안정적으로 주행할 수 있는 배경에는 양극재 기술이 있습니다. 해가 거듭될수록 발전하는 전장 기술에는 양극 활물질의 섬세한 변화도 함께 반영되고 있습니다. 이처럼 배터리 기술의 발전 뒤에는, 성능을 좌우하는 소재 기술의 진화가 이어지고 있습니다.
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※본 콘텐츠에 사용된 일부 이미지는 AI로 제작되었음을 알려드립니다
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