2차전지 소재(양극재)

2차전지는 4가지 요소로 구성되어있다. 양극재, 전해액, 분리막, 음극재 이다. 그중 오늘은 양극재에 대해서 알아보자.

배터리는 양극과 음극이 있다. 양극의 리튬이온이 음극으로 이동하면서 배터리가 충전되며, 그 반대로 리튬 이온이 양극으로 이동하면 배터리가 방전이 되는 원리를 가지고 있다. 여기서 중요한건 배터리의 성능과 특징이, 오늘 알아볼 양극재가 기여하는 부분이 40%정도나 된다.

 

양극재 역할

양극재는 리튬이온의 원천 역할을 수행. 즉, 리튬이 들어가는 공간을 확보해주며 전기 에너지를 생성하는 역할을 한다. 또한, 양극은 배터리의 용량, 전압을 결정하는 주요 요소이다

 

양극재 구성요소

양극재는 구성하는 원료에 따라 성능과 특성이 좌우되는데, 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 알루미늄(Al) 등의 원료로 어떤 비율로 조합하느냐에 따라 성능과 특성이 다양해진다.

니켈(Ni) : 베터리 셀(Cell)dml 에너지의 밀도를 결정한다. 즉, 배터리 용량(주행거리 연관)을 늘릴 수 있는 역할을 한다. 하지만 무조건적으로 높일수는 없다. 왜냐하면, 니켈(Ni)이 구조적으로 불안정하기 때문이다. 배터리 충전시, 니켈이 산화되는데 니켈 이온(Ni4+)이 전해액과 산화 반응으로 인해 Cell 표면에 산화니켈을 생성한다. 이는 반응성이 없고 변화하지 않으려는 성질때문에 불활성 구조를 만들어 양극재가 퇴하하게 된다.

또한, 니켈 함량이 높아지면 열에 대한 안전성이 낮아진다. 이는 니켈과 산소가 결합하게되면, 발열을 하면서 안정된 구조로 가려고 성질이 있기 때문이다.

망간(Mn) : 배터리의 안정성을 높여주는 재료이다. 하지만 배터리에 망간함량이 높아질수록 에너지 밀도가 낮아지고, 배터리 충,방전에 있어서 양극재가 부식하거나 팽차하는 현상이 발생하여, 배터리의 수명과 성능이 저하될 수 있다. 하지만 망간은 자원이 풍부하고 가격이 저렴해서 배터리 가격 경쟁력이 있는 부분이라, 망간 함량을 높이는 부분과 하이망간등 여러 기업에서 연구를 진행하고 있다.

코발트(Co) : 코발트는 공기 중에서 안정하고 물에도 반응을 하지 않는 금속이지만 묽은 산에는 천천히 녹는 성질을 가지고 있고있다. 코발트는 단독으로 채광되는 경우는 별로 없고, 구리나 니켈을 채굴하고 이를 정제하는 과정에서 생산되는 금속이다. 특히 전세계적으로 고루 볼수 없기 때문에 몇몇 나라에 편재된 자원이고, 수급이 어려워 가격이 비싸 배터리 제조 원가에 20%를 차지하고 있다. 하지만, 코발트는 배터리의 부피와 무게를 줄이고, 망간과 마찬가지로 안정성을 높여주는 역할을 담당한다. 하지만 망간에 비해 코발트가 에너지 밀도가 높다.

알루미늄(Al) : 알루미늄은 배터리에서 용량과 전압을 결정하는 양극 활물질의 이동 통로 역할을 하는 소재이다. 보통 배터리에는 알루미늄 박 역할로 사용되며, 배터리 출력 특성을 향상시킨다.

 

양극재종류

양극재는 NCM(니켈,코발트,망간),NCMA(니켈,코발트,망간,알루미늄),NCA(니켈,코발트,알루미늄),LFP(리튬, 인산,철),NMX(니켈, 망간), LMR(니켈, 코발트, 망) 등이 있다.

NCM : 주행거리가 길고 높은 출력을 내기 때문에, 전기차 배터리 소재로 가장 많이 쓰이고 있는 삼원계(니켈, 코발트, 망간) 양극재이다. 현재는 코발트함량을 줄이고 니켈 비중을 높인 하이니켈 양극재 개발이 이루어지고 있으며, 수명과 안정성까지 높인 단입자 양극재로도 주목 받고있다.

NCMA : 밀도, 용량, 수명, 가격경쟁력 모두 잡은 고품질의 하이니켈 양극재이다. 보통 니켈의 비중이 90%가 넘어가며, 삼원계 양극재에 알루미늄을 추가하여 출력과 안정성을 높였으며, 다양한 형태의 배터리(각형, 파우치형, 원통형)에 적용이 가능하다. 또한, 니켈 비중이 높아서 배터리를 오래 쓸수 있으며, LG에너지솔루션, sk온, 삼성sdi등 국내 배터리 생산 회사들이 열심히 기술개발을 하고있다. 그리고 엘앤에프에서 생산하는 양극재는 테슬라에도 들어간다.

NCA : 에너지밀도와 용량이 우수해, 전기차뿐만 아니라 공구용 배터리에 활용된다. NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄을 8:1:1 비율로 구성된다. NCM 양극재보다 니켈함량이 높고 알루미늄도 더해져서, 높은 에너지 밀도와 출력을 보인다. 다만, 에너지 밀도가 높아 불안정하기 때문에 주로 원통형 배터리와 같은 소형전지에 많이 쓰이고 있다. 즉 핵심 고객사는 삼성SDI이다. 에코프로, 포스코케미칼이 생산하는 것 같아 보인다.

LFP : 코발트, 니켈없이 리튬과 인산철로 구성되어 있어서, 저렴하면서도 안정적이기 때문에 보급형 전기차 배터리에 주로 활용되는 양극재이다. 가격경쟁력, 수명, 안정성(고온, 고압) 면에서 우수하다. LFP는 철과 인산의 결합이 강하게 이루어져있어, 균형이 안정적이 때문에 배터리가 과도하게 충전/방전되는 원인 중 하나인 열 발생을 최소화 해준다. 또한, 기존 NCM보다 전하를 전달하는 이온의 이동성이 높아 내부 저항이 낮아서 전류가 빠르게 이동할 수 있어, 충전속도가 빠르다. 마지막으로 친환경성이다. 주재료인 철, 인산은 자연에 풍부하기 때문에 쉽게 구할 수 있다. 하지만, 삼원계 등 다른 양극재 대비 에너지밀도와 용량이 낮고 부피가 크며 무거운 편이다. 그래서 주행거리가 다른 전기차들에 비해 적다.  이 LFP방식은 중국 업체들이 장악하고 있다.

NMX : 니켈과 망간으로 구성해 가격경쟁력을 높인 코발트프리 양극재이다. 가격경쟁력도 있지만, 용량, 밀도 등의 부문에서도 우수한 성능을 보이기 때문에 미래 배터리 소재로 주목 받고 있다. 하지만 전기차에서 중요한 성능인 주행거리 측면에서 아직 부족하기 때문에 상용화는 아직 무리로 보인다.

LMR : 이것도 NCM과 같이 니켈, 코발트, 망간으로 이루어져 있는 양극재이다. 하지만 니켈과 코발트의 비중을 낮추고 망간의 비중을 극대화한 양극재로 "하이망간, 고망간" 양극재이다. 아까 말한대로 망간의 경우 니켈 대비 매장량도 풍부하고 원가 낮고 공급 안정성이 뛰어나기 때문에 가격 경쟁력이 뛰어나다. 또한, NCM보다 에너지 밀도는 낮지만 LFP보다는 35~60%내외로 높고 가격은 LFP보다 10%~12% 비싸다. 그렇기 가성비로 봤을때 LFP보다는 우수한 면이 있다고 본다. 하지만 아직 상용화된 사례가 없고, 배터리 용량 개선 부분이 과제로 남아있다. 또한, 배터리 교체 주기도 짧다는 단점이 있다.