이차전지의핵심양극재

이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?

스마트폰부터 전기차까지 배터리 용도를 결정 짓는 조합의 세계

 

▲ 리튬 이온 배터리 충방전 원리. 출처=삼성SDI

전기 자동차 산업이 떠오르면서 '이차 전지'에 대한 관심도 뜨겁습니다.

이차 전지의 경우 용어 자체는 다소 친숙하지 않을 수 있으나, 알고 보면 현대에 가장 일상적인 물건들 가운데 하나다인데,전기차 뿐 아니라 휴대폰·디지털카메라·노트북 컴퓨터 등 전자 제품들에도 들어가기 때문입니다.

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일반 건전지와 달리 충전을 통해 반영구적으로 사용할 수 있어 이 같은 이름이 붙었습니다.이차 전지는 충전 물질에 따라 다양한 종류로 나뉘지만, 현재 이차 전지 시장에서는 리튬 이온 배터리가 주류를 이루고 있으며.,리튬 이온 배터리는 가벼운 데다 고용량 구현에 유리해 전동 공구부터 가전, 전기차, 발전소 등에 이르기까지 두루 쓰이고 있습니다.

하지만 최근 리튬 이온 배터리와 관련해 자주 언급되는 NCM 811·NCMA·LFP 등이 도통 무슨 의미이며 어떻게 다른지 알기 쉽지 않습니다. 배터리 앞에 붙는 이 용어들은 한마디로 배터리의 양극 소재에 대한 힌트입니다. 왜 양극재에 대한 설명이 나올까, 배터리 성능을 논할 때 빠질 수 없는 용량과 출력 등을 바로 양극재가 결정 짓기 때문입니다.

양극재는 음극재와 분리막, 전해질 등과 함께 리튬 이온 배터리의 4대 구성 요소로 꼽히며, 배터리 원가의 40% 가량을 차지하는 핵심 소재이며,배터리를 제대로 알기 위해서는 양극재를 읽을 필요가 있습니다.

스마트폰용 배터리에는 LCO

먼저 리튬 이온 배터리 양극재의 기본형인 'LCO(리튬·코발트·옥사이드)'부터 알아 볼 필요가 있는데, LCO는 소형 이차 전지에 가장 많이 사용되는 양극재로, 현재 거의 모든 사람들이 하나씩은 가지고 있는 전자 제품인 휴대폰의 이차 전지에 투입됩니다.

LCO는 오래 전부터 휴대폰용 배터리 등에 쓰여 왔으나, 전기차 분야에서 차지하는 비중은 없다시피 하고있습니다.

LCO 배터리의 단가가 높기 때문이며, LCO를 구성하는 광물인 코발트는 배터리의 안전성을 높이는 핵심 원료지만, 니켈·구리 광산 등에서 부산물로 얻을 수 있어 세계적으로 채굴량이 적습니다. 또 전 세계 코발트 60% 이상이 아프리카 콩고 민주 공화국에서 생산되는데, 내전 등 정세 불안으로 코발트 공급이 불안정해지면서 그 가격 또한 치솟고 있습니다.

아울러 LCO 배터리는 현재 전기차용 배터리의 주를 이루는 NCM·NCA 등 배터리보다 에너지 밀도가 낮습니다. 따라서 LCO는 전기차용 이차전지의 양극재로 적합하지 않다는 평가입니다.

전기차용 배터리 시장의 현 대세, NCM

'NCM(니켈·코발트·망간)'은 현재 중대형 이차 전지에 가장 많이 쓰이는 양극재로, 서구권에서는 구성 요소의 순서를 바꿔 'NMC'으로 부르기도 합니다. NCM에 대한 정확한 표현은 'LNCMO'인데, 즉 NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 양극재다. LCO 내 코발트 비중을 쪼개 니켈·코발트·망간 등으로 재구성한 것입니다.

최초의 NCM은 니켈·코발트·망간 비중이 1:1:1이었으나, 최근에는 에너지 밀도를 높이는 니켈의 함량을 극대화하고 값비싼 코발트는 줄여 원료 가격 변동에 따른 충격을 최소화하는 쪽으로 개선되고 있습니다.

이를 통해 니켈 비율이 60% 이상으로 구현된 양극재를 이른바 '하이니켈(high-nickel)'이라 일컫습니다. 즉 'NCM 811' 배터리는 니켈 80%·코발트 10%·망간 10% 비율로 구성된, 하이니켈의 대표적 사례인 셈입니다.

LG화학·삼성SDI·SK이노베이션 등 국내 배터리 업체들이 NCM과 하이니켈에 주력하고 있으며, 앞서 LG화학은 지난 2월부터 테슬라에 '모델 3'용 원통형 NCM 811 배터리를 공급해 왔으며, 최근에는 폴란드 공장에서 니켈 함량을 높인 파우치형 차세대 배터리를 양산하기 시작한 것으로 알려졌는데.,NCM 622를 NCM 712로 개선했다는 설명입니다.

SK이노베이션도 최근 니켈 비율을 90%까지 확대한 'NCM 구반반(9½½)' 배터리 개발 소식을 알린 바 있는데, 해당 배터리는 미국 포드에 공급될 예정으로, 오는 2023년부터 양산된다는 설명입니다.

원통형 전기차용 배터리에는 NCA

'NCA(니켈·코발트·알루미늄)'도 NCM처럼 LCO에 다른 금속들을 추가한 양극재로, 정확히는 'LNCAO' 구성을 띄고 있는데, 니켈과 알루미늄이 추가된 것입니다.

NCA는 일본 파나소닉이 미국 테슬라에 납품하는 원통형 배터리 셀에 사용되며 주목 받았는데. NCM 배터리가 NCM 622나 NCM 811 등으로 나뉘는 것과 달리, NCA는 따로 구분되지 않습니다. NCA는 일찍이 니켈·코발트·알루미늄 비중이 8:1:1인 구성을 사용해 왔으며, 이미 하이니켈 양극재 중 하나이기 때문입니다.

NCA를 주로 사용하는 배터리 업체로는 파나소닉과 삼성SDI가 있는데, 두 업체 모두 원통형 배터리의 양극재로 NCA를 적용하고 있습니다.

NCA가 중대형 배터리 셀에 잘 쓰이지 않는 이유는 NCM 811의 중대형화가 어려운 이유와 같습니다. 니켈 비중이 커, 배터리의 에너지 밀도가 높지만 안정성은 낮아지기 때문입니다.반면 소형 배터리 경우 들어가는 양극재의 양이 적은 데다 극판을 돌돌 마는 방식으로 만들어지므로, NCA를 적용해도 안정성 확보가 용이한 편이라는 평가입니다.

삼성SDI는 현재 소형 배터리에 니켈 함량이 88% 이상인 NCA 양극재를 적용하고 있으며, 독일 BMW가 내년 출시하는 차세대 전기차에도 해당 양극재를 적용한 '젠5(5세대)' 배터리를 제공할 계획입니다.

LG화학의 경우, NCM에 알루미늄을 추가한 NCMA를 미국 제너럴모터스(GM)와 공동 개발 중인 '얼티움' 배터리의 양극재로 적용하며,해당 배터리는 내년부터 순차적으로 출시되는 20여종의 전기차에 탑재될 예정이며, NCMA를 통해 니켈 비중이 90% 이상이 되면 600km 수준의 전기차 주행 거리를 시현할 것으로 예측되고 있습니다.

 

전일 전극차 양극재 관련업체들 주가가 급등하였는데 일단 시장에 루머로는 포스코케미칼이 4680향 테슬라 양극재를 공급하기로 했다는 루머입니다. 증설 물량을 40만통에서 60만톤으로 확장한다는 루머입니다.

동화기업은 12일 DR이 예정되어 있는데 양극재 공급관련 언급할것이라는 애기가 돌고있습니다.

LG에너지솔루션 3월 1200개 벌어서 가동률 올라오면서 섹터전반 소재 2022년 영업이익이 긍정적이라는 애기가 있습니다.

SKC는 1분기 어닝서플 기록할거라는 애기가 있네요.중국의 CATL 물량이 크게 증가한것으로 관측됩니다.

최근 에코프로비엠에 5천억원  대규모유상증자를 단행하였습니다. 표면적인 이유는 글로벌 양극재시장의 1위를 확실하게 굳히겠다르는 것인데 지금 시장에 루머는 국내 양극재관련 기업을 인수하기 위한 실탄 마련이 아닌가 하는 애기가 언급되는것으로 파악됩니다. 어떤 회사인지는 민감한 문제라 언급은 하지 않겠지만 결국은 전기차 소재 시장도 규모의 경제로 변화가 관측되고 있습니다. 

중국이 전기차 소재 글로벌공급망을 장악하면서 니켈,코발트,흑연,망간,희토류에 이르기까지 속된말로 가격 장난을 많이 하면서 향후 전기차 소재 시장의 공급 불안정성이 제기되면서 미국의 조바이든 대통령은 국방통수법까지 행정명령으로 서명하면서 전기차 소재 확보에 혈안이 되어 있습니다. 그렇다고 본다면 결국은 국내 전기차 소재 업체들의 최근 추가 증산과 대규모 자금 확보는 국내 메이저 자동차 업체공급이 주목적이 아니라 미국의 테슬라,GM,포드 등 글로벌 메이저 전기차 업체로의 공급선 확대가 주목적이 아니겠는가 최종결론에 도달되게 됩니다.