리튬 하이니켈 배터리

리튬 하이니켈 배터리(NCM, NCA)는 코발트 비중은 낮추고 니켈 비중은 최대한 끌어올린 하이니켈(high nickel) 배터리이다. 일명 K-배터리라고 불리는 리튬 하이니켈 배터리는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션이 글로벌 경쟁력을 강화하고 있는 현황이다. 리튬 하이니켈 배터리는 기존의 NCM 삼원계 배터리 뿐만아니라 알루미늄(13Al)을 사용한 NCA 및 NCMA 배터리가 확산되고 있는 추세이다. 

LG화학을 비롯한 한국 배터리 업체들은 현재 주류인 NCM(니켈·코발트·망간)' 배터리에 주력하고 있다. 특히 니켈의 함유량을 높이는 데 역량을 집중하고 있다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도를 향상시키는 데 핵심적 역할을 하는 원료로, 즉 배터리 성능과 용량은 니켈 비중에 비례한다. LG화학은 2020년 폴란드 공장에서 파우치형 차세대 NCM 배터리 양산에 돌입했다. 전기차용 배터리로 주로 쓰이는 기존 NCM 622 배터리를 개선한 NCM 712 배터리로, 독일 폭스바겐에 공급된다. 니켈 함량을 60%에서 70%로 끌어올리면서, 전기차 주행 거리도 400~500km에서 500km 이상으로 늘렸다. LG화학의 경우, 이미 2020년 2월부터 테슬라 모델 3에 원통형 'NCM 811' 배터리를 납품해 왔다. 파우치형 배터리의 경우 니켈이 80%를 넘으면 화학적 안정성이 떨어질 수 있으므로 상대적으로 개발이 늦어지고 있지만, 소형 전지인 원통형 배터리는 니켈 비중이 80%인 NCM 811 양극재를 적용해도 문제 없다는 설명이다. LG화학과 미국 제너럴모터스(GM)가 공동 개발 중인 얼티엄 배터리도 2021년부터 순차적으로 출시되는 20여종의 전기차에 탑재될 예정이다. NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재를 통해 니켈 비중을 90% 이상으로 높이면, 해당 배터리는 600km 수준의 전기차 주행 거리를 으로 시현할 것으로 예측되고 있다.

SK이노베이션도 니켈을 90%까지 확대한 'NCM 구반반(9½½)' 배터리 개발 소식을 알렸다. 해당 배터리는 미국 포드에 공급될 예정으로, 2023년 양산을 시작한다는 설명이다. SK이노베이션에 따르면 하이니켈의 화재 가능성을 최소화하기 위해 세라믹 코팅 분리막(CCS, Ceramic Coated Separator)의 품질을 한단계 개선했다. CCS는 내열성과 관통성을 크게 개선한 제품으로 배터리의 온도가 높아져도 단락이 발생하지 않아 화재의 위험이 적다. 머리카락 25분의 1 수준인 4 마이크로미터 두께인데 내구성이 우수하다는 평이다.

삼성SDI도 하이니켈에 집중하고 있다. 삼성SDI는 현재 소형 배터리에 니켈 함량 88% 이상을 구현하는 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 기술을 적용하고 있으며, 독일 BMW가 내년 출시하는 차세대 전기차에도 해당 기술이 접목된 '젠5(5세대)' 배터리를 제공할 계획이다.

장점

• 고에너지 밀도: 리튬 하이니켈 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어, 더 많은 에너지를 작은 부피에 저장할 수 있습니다. 이는 전기자동차 등의 이동성 제품에서 중요한 요소입니다.

• 높은 전력 출력: 리튬 하이니켈 배터리는 높은 전력 출력을 제공하여 고속 충전 및 방전이 가능합니다. 이는 전기차의 가속력이나 충전 시간 등에 긍정적인 영향을 미칩니다.

• 장기 안정성: 일반적으로 리튬 하이니켈 배터리는 상대적으로 오래 사용할 때 안정성이 유지됩니다. 과거의 몇몇 리튬 이온 배터리와 비교하여 사이클 수명이 더 길 수 있습니다.

• 저렴한 원재료 비용: 리튬 하이니켈 배터리의 원재료는 비교적 저렴하며, 이는 제품 가격을 낮추는데 도움이 될 수 있습니다.

단점

• 산화성: 리튬 하이니켈 배터리는 주로 산화 리튬과 함께 사용됩니다. 이들은 화학적으로 매우 활발하며, 불안정할 수 있습니다. 이로 인해 고온, 과충전, 또는 물과의 접촉 등의 조건에서 화재나 폭발의 위험이 있습니다.

• 용량 저하: 충전 및 방전 사이클이 반복됨에 따라 리튬 하이니켈 배터리의 용량이 저하될 수 있습니다. 이는 배터리의 수명을 단축시킬 수 있습니다.

• 카토드 손실: 카토드 손실은 리튬 하이니켈 배터리에서 카토드 재료가 충전 및 방전 과정에서 손실되는 현상을 의미합니다. 이는 배터리의 효율성에 영향을 줄 수 있습니다.

니켈 90%의 하이니켈 배터리가 장착되면 전기차 주행거리가 현재보다 100㎞ 이상 늘어난 600㎞를 상회할 것으로 업계는 보고 있다. 서울에서 부산까지 직선거리가 약 300㎞인 점을 감안하면 1회 충전으로 부산을 왕복하고, 전국 어디나 갈 수 있는 셈이다.

이런 장점 때문에 배터리 업계는 니켈 함량을 높이는 데 연구개발을 집중했는데 NCMA가 첫테이프를 끊으면서 NCMA 배터리의 채택 확대와 하이니켈 기술 경쟁이 가속화할 전망이다. 실제로 2021년 하반기 테슬라 전기차에 이어 GM도 NCMA 배터리 탑재를 추진하고 있다. GM은 LG에너지솔루션과 미국에 배터리 합작사를 짓고 있는데, 이곳에서 NCMA 배터리를 생산해자사 전기차에 탑재할 계획이다. 중대형 전기픽업트럭 허머 탑재가 추정된다. 당초 GM은 2022년 NCMA 배터리 탑재를 계획했다. 하지만 GM이 신차 출시를 앞당기면서 하이니켈 NCMA 배터리 장착도 서두르고 있는 것으로 보인다.

주행성능이 향상된 배터리 등장으로 다른 전기차와 배터리 업체들도 니켈 함량을 높이는 쪽으로 기술 개발에 속도를 낼 것으로 관측된다.

업계에 따르면 삼성SDI는 내년 니켈 80% 후반대 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리를, SK이노베이션은 2023년 니켈 90% NCM 배터리 양산에 돌입할 계획이다. 삼성SDI와 SK이노베이션이 니켈 80%~90%대 NCA, NCM 배터리를 개발, 탑재하는 건 처음이다. 니켈 함량을 높여 전기차 배터리 성능을 높이고 전기차 채택을 늘리려는 시도다.