전기차핵심소재

최근 전기차 배터리 소재 부분이 핵심으로 부각되고 있습니다.

전기차 배터리 핵심 소재
재료 구조 바꿔 경쟁력 높여

포스코는 철강 사업으로 유명한 기업입니다. 자회사 포스코케미칼을 통해 양극재·음극재 사업을 활발하게 벌이고 있어 눈길을 끕니다. 

최근 포스코케미칼이 미국 자동차 회사 제너럴모터스(GM)와 4억달러(약 4900억원)을 투자해 캐나다에 양극재 합작 공장을 짓는다고 발표한 것이 대표적인 사례입니다. 음극재 생산도 연 7000톤에서 3만5000톤으로 확대할 계획입니다.

양극재와 음극재는 전기차 배터리의 핵심 소재로 꼽히고 있어 앞으로 장기적 성장 가능성이 기대되는 분야입니다. 그렇다면 포스코가 새로운 성장 동력으로 찾은 양극재와 음극재는 무엇일까요 대해서 알아보겠습니다.

양극재

전기차 배터리에 쓰이는 이차전지는 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 전기를 발생시키는 원리로 작동합니다. 양극에 있던 리튬이온이 음극으로 이동하면 충전, 음극에 있던 리튬이온이 양극으로 이동하면 방전되는 겁니다.

이차전지는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 4가지 요소로 구성됩니다. 이 가운데 양극재와 음극재는 배터리의 용량뿐 아니라 수명, 충전 속도를 결정하는 까닭에 핵심 소재로 꼽힙니다.

여기서 양극재는 말 그대로 배터리의 양극을 이루는 소재를 말합니다. 리튬이온배터리에서 리튬소스 역할을 하는 에너지원으로 용량과 평균 전압을 결정한다고 합니다.

 리튬이온배터리 작동원리./자료=포스코 제공

어떻게 섞어야 할까

LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 전기차 배터리 사업자들은 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등 삼원계 배터리를 주력으로 하고 있습니다.

참고로 중국 업체들은 LFP(리튬인산철) 배터리를 많이 씁니다. 철이 많이 들어간 것이라 NCM 대비 가격이 저렴합니다. 단 무게는 LFP대비 매우 무겁습니다. 그만큼 연비가 좋지 않다는 단점이 있으며 LFP가 폭발하지 않는다고 잘못된 정보들이 유통되는데 전혀 그렇지 않습니다. 최근 사례만 보더라도 LFP배터리를 탑재된 전기차에서 무려 동시에 60대가 폭발사고가 일어났습니다. 왜곡된 정보는 믿지 마시길 바랍니다.

또 NCA의 경우 NCM과 비교해 원료 합성·수분 제어에 대한 난이도가 높지만, 상대적으로 출력과 에너지 밀도가 높아 소형 배터리에 주로 사용된다고 합니다. 삼성SDI가 이 분야에 강점이 있다고 합니다.

전기차용으로는 니켈 함량을 높인 하이니켈 NCM 양극재가 등장하고 있습니다. 니켈 함량이 높으면(하이) 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있다고 합니다.

더 적은 무게와 작은 부피로도 같은 배터리 용량을 구현할 수 있다는 것입니다.이런 결과로 전기차의 주행거리를 길게, 차량 공간 활용은 높일 수 있다고 합니다. 포스코케미칼은 여기에 알루미늄을 더해 열안정성을 높인 NCMA 기술을 개발했다고 합니다.

 

 

음극재, 소재 구조를 바꾸면

음극재는 배터리 충전 속도와 수명을 결정합니다.

왜 그럴까? 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 반복하면 사용 시간이 점점 줄어들게 됩니다. 음극이 시간이 지날수록 구조가 무너지기 때문이라고 합니다.

또한 배터리를 충전하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동해 음극재의 소재인 흑연의 층 사이사이로 들어갑니다.리튬이온이 들어간 흑연은 팽창합니다. 이렇게 부피 변화가 생기면 용량에도 영향을 미치게 되는데,팽창을 많이 하는 소재를 쓰면 공간이 부족해져 용량이 줄어드는 구조입니다.

포스코케미칼은 저팽창 음극재 를 독자 개발에 성공했습니다.

저팽창 음극재는 천연 흑연을 원료로 활용하고, 소재 구조를 판상형에서 등방형으로 개선했습니다. 천연흑연 음극재 대비 팽창률은 25% 낮추고, 급속충전 성능은 15% 향상시켰다는 겁니다.

이를 통해 상대적으로 비싼 인조 흑연과 비교해 제조원가를 낮추면서도 공정에서 발생하는 탄소배출량은 저감해 친환경성을 높였다는 얘기입니다.

세계적인 친환경 트렌드가 확산하면서 전기차 시장도 점점 커지고 있습니다. 이에 따라 양극재, 음극재도 뉴스에서 자주 언급이 될 것으로 보입니다. 

최근 주식장에서 아주 핫한 2차전지 양극재 기업 엘앤에프, 대구에 6500억원 투자를 단행할 예정입니다.