우리나라는 왜 하이니켈일까?

우리나라는 왜 하이니켈일까?

대학생신재생에너지기자단 21기 곽서영, 21기 한세민, 22기 정의희

 

 

하이니켈이란?

 

[자료1. 이차전지 시장과 니켈]

출처: 인더스트리뉴스 , 네이버 지식백과

 탄소 중립과 지속 가능성을 목표로 하는 미래 방향에 따라 전기차가 흥행하고, 이차전지 산업이 함께 성장하고 있다. 현재 이차전지 시장은 주로 리튬이온배터리를 사용한다. 가벼우면서 높은 용량으로 구현할 수 있는 매력적인 장점을 가진 리튬이온배터리는 전기차는 물론이고, 전동 공구부터 가전, 발전소 등에 두루 쓰이고 있다. 이 가운데 최근 LG화학에서 올해 처음으로 양극재인 '하이니켈' 양산을 시작하였다. 니켈이 배터리에서 어떤 역할을 하는 것인지, 하이니켈에 대해 자세히 알아보자.

 먼저, 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 이루어져 있다. 특히 양극재는 리튬이온의 소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 핵심소재이다. 양극재는 한 가지가 아닌 여러 가지 구성요소로 이루어져 있고, 구성 비율 또한 다양하다. 현재 전기차에 탑재되는 리튬이온배터리에 가장 많이 쓰이는 양극재는 니켈을 포함한 NCM이다. 이렇게 니켈을 포함하는 양극재에서 니켈의 함량을 60~70%에서 80~90%로 크게 높인 배터리를 하이니켈(high-nickel) 배터리라고 한다. 니켈은 높은 에너지 밀도를 가져 순간적으로 강한 에너지를 내고, 다른 금속 대비 저렴하다. 니켈의 비중을 늘리면 에너지 밀도가 높아져 전기차 1회 충전 시 주행거리가 증가하고, 출력이 더 높은 전기차를 제조할 수 있다. 따라서 배터리의 성능을 높이기 위한 기술 개발이 하이니켈과 함께 활발히 이루어지고 있다.

 

여러가지 양극재

배터리 특성을 결정하는 중요 요소인 양극재에 어떤 양극 활물질을 사용했는지에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정된다. 배터리의 양극에는 리튬산화물의 형태로 리튬이 존재한다. 리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질을 ‘활물질’이라고 한다. 여기에 도전제, 바인더가 결합된 합제를 알루미늄기재 양쪽에 발라 양극을 구성한다.

리튬산화물과 결합해 배터리에 적합한 성능을 나타내는 활물질 종류는 크게 ▲LCO(리튬·코발트·산소) ▲NCM(니켈·코발트·망간) ▲NCA(니켈·코발트·알루미늄) ▲LMO(리튬·망간·산소) ▲LFP(리튬·철·인) 등으로 나뉜다.

LCO는 리튬이온배터리 양극재의 기본형으로, 소형 이차전지에 가장 많이 쓰인다. 높은 에너지밀도와 긴 수명을 가진다는 장점이 있다. 하지만 충·방전을 진행할수록 화학적 부반응으로 인해 효율이 최대 50%까지 감소한다는 단점이 있어 점차 니켈 함유량을 높인 배터리를 통해 가격과 에너지 효율성을 모두 잡으려는 변화가 일어나고 있다. 전기차 배터리에 가장 많이 활용되는 양극재인 NCM은 니켈 계열의 삼원계 배터리 모델이다. 니켈, 코발트, 망간의 비율이 80%, 10%, 10%로 니켈의 함량을 높임으로써(NCM811) 역시 에너지밀도 측면에서 효율성을 추구한다. 마찬가지로 알루미늄을 사용해 출력을 높이고 배터리 효율을 끌어올린 NCA와 비교해 수명이 길다는 점이 NCM의 특징이다.

LMO는 니켈이 들어가지 않는 이원계 배터리 모델로, 망간을 이용해 가격이 저렴하고 구조적 안정성이 우수하지만, 고온에는 취약하다. LFP도 같은 장점이 있지만, 상대적으로 에너지 밀도가 낮아 전기차에 사용했을 때 주행거리가 짧다. 이렇게 양극의 각 재료의 비중과 구조 배치에 따라 그 성능이 결정되는데, 니켈은 에너지 밀도, 망간과 코발트는 안정성, 알루미늄은 출력 특성에 관여한다.

양극재의 구조 배치에 따라 격자 구조별로 크게 층상(layered), 스피넬(spinel), 올리빈(olivine)으로도 구분한다.  층상구조는 LCO, NCM, NCA 등이 있으며 배터리 충·방전시 층상 구조 사이에 리튬이온이 저장 및 방출된다. 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있어 에너지 용량이 높다는 장점이 있지만, 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 스피넬구조로는 LMO가 있으며, 2D형태의 격자구조로 층상구조에 비해 안정성이 높지만, 에너지 용량이 작다. 올리빈구조는 3D형태로, 안정성이 매우 높지만 전자의 이동과 리튬이온의 확산 속도가 느리고 에너지 밀도 낮다. LFP가 이에 해당되며 최근에는 망간을 포함한 LFMP나 표면을 탄소층으로 코팅해 전자 이동도를 높이는 등 에너지 밀도를 개선하기 위한 연구가 개발되고 있다.  

[자료2. 양극재의 종류]

출처 : 네이버   

 

 

국내 하이니켈 연구

우리나라는 지속적으로 하이니켈 연구를 이어오고 있다. 리튬이차전지의 단점인 안정성을 보완하고 성능을 더욱 늘리는 독자적인 기술력을 가지고 있다. 다음은 4가지 국내 하이니켈 연구이다.

[자료3. Ni-Mn 코팅 표면]

출처 : LG화학

1. LG화학 하이니켈 특허

LG화학에서는 리튬이차전지용 양극 활물질의 안정성과 초기용량을 개선하는 제조 방법을 발명했다.  본 발명을 요약하자면 1차 입자 간 계면에서의 크랙 발생이 억제된 하이니켈 양극 활물질, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 양극 및 리튬 이차전지 특허이다. 해외의 하이니켈 제조와의 차별점은 리튬 불순물의 함량을 낮게 억제하여 수세 공정을 생략할 수 있는 하이니켈 양극 활물질 제조라는 것이다. 복수의 1차 입자가 응집된 2차 입자 형태이고, 리튬을 제외한 금속 원소 중 니켈의 함량이 80 atm 이상인 리튬 전이금속 산화물, 상기 리튬 전이금속 산화물의 2차 입자의 표면 및 상기 복수의 1차 입자 중 일부 또는 모든 표면에 형성되며, 니켈 및 망간을 함유하고, 층상 구조를 갖는 제1코팅층, 상기 제1코팅층의 외면에 형성되며, 붕소를 함유하는 제2코팅층을 포함하는 양극 활물질로 구성된다.

2. LG에너지솔루션 & 숙명여자대학교의 하이니켈 안정성 특허

LG에너지솔루션과 숙명여자대학교 산학협력단이 함께하여 고용량을 구현하면서 수명 특성이 우수한 하이니켈 특허를 출원하였다. 본 발명은 하이니켈 양극 활물질의 구조 안정성을 보완하기 위해 ZrO2-x(0<x<2)의 양극 첨가제를 사용하는 방법을 사용하여 우수한 양극과 이의 제조방법을 제공하였다. 

3. 충남대학교의 붕소 도핑을 통한 성능 개선 연구

충남대학교에서는 붕소를 도핑하여 용량 유지 및 속도 성능 측면에서 전기화학적 특성 개선 연구가 진행됐다. 양극재 중 하나인 NCMA 구조에서 불활성 원소인 Al은 구조적 안정성을 향상하는 데 도움을 주는데, 이는 하이니켈에서 사이클 성능을 향상시키는 도핑 원소로도 사용된다. 이 연구에서 배터리 성능을 향상하기 위해 붕소와 주석도 도판트로 사용되었는데  Sn은 NCMA에 성공적으로 도핑되지 않았지만 붕소는 NCMA에 도핑되어 물리화학적 특성을 변경하였다. 붕소가 도핑된 NCMA는 도핑되지 않은 NCMA에 비해 용량 유지 및 속도 성능 측면에서 전기화학적 특성이 상당히 개선되었다.

4. 한국공학대학교의 겹층구조 복합양극을 통한 사이클 수명 개선 연구

위 연구에서는 LMO와 NCM으로 구성된 복합전극을 제조할 때, 이를 단순히 혼합하여 제조한 혼합(blend) 전극과 두 전극을 겹층구조로 제조한 전극의 수명 특성을 비교하였다. 두 활물질의 비율을 모두 1:1로 구성하여 제조한 겹층전극은 혼합 전극과 유사한 용량 및 동등한 사이클 수명을 지니고 있었고, 완전한 전지의 고온 사이클에서는 LMO를 먼저 코팅하고 나서 NCM을 코팅한 LN 전극이 가장 우수하였으며, NCM을 먼저 코팅하고 LMO를 다음에 코팅한 NL 전극은 표면에 LMO가 주로 위치하면서 blend 전극보다 오히려 용량 퇴화가 더 빠르게 진행되었다. 또한, 겹층전극의 열적 안정성이 보다 우수하다는 것을 밝혀낸 연구이다.

 

 

대한민국, 하이니켈 양극재의 선두주자

국내 배터리 제조사들은 삼원계 또는 사원계 배터리를 제조한다. 양극재 광물 조합에 따라 ▲니켈·코발트·망간(NCM) ▲니켈·코발트·알루미늄(NCA) ▲니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 등으로 배터리 종류가 나뉜다. 특히 이 중 니켈 비중이 80% 이상으로 높아질 경우 하이니켈 양극재로 불리는데, 프리미엄 전기차에 탑재되는 배터리의 양극재로 통한다. 고성능 양극재가 비싸긴 하지만 K-배터리 제조사가 글로벌 판매 확대에 박차를 가하는 이유는 리튬·인산·철(LFP) 배터리의 단점을 보완해 주기 때문이다. LFP 배터리는 가격이 저렴하다는 장점이 있지만 주행거리가 다소 짧다는 단점을 갖고 있다. 반면 하이니켈 양극재는 LFP 배터리보다 주행거리가 길다. 이에 따라 글로벌 주요 전기차 기업들이 고성능 양극재를 선호하고 있다.

[자료 4. 글로벌 삼원계 양극재 업체 톱10]

출처: 조선비즈

 

배터리 시장조사업체 BMI에 따르면, 2021년 기준 글로벌 삼원계 양극재 생산량은 88만 8000t이었다. 에코프로비엠(295,000원 ▲ 10,000, 3.51%)과 LG화학(654,000원 ▲ 0, 0%)이 각각 7만 5000t, 6만 1000t씩을 생산해 1·2위를 차지했다. 삼성 SDI(686,000원 ▲ 1,000 0.15%)(3만 5000t), 포스코케미컬(2만 9700t), 엘앤에프(236,500원 ▲ 1,500 0.64%)(2만 5500t)를 합하면 10위권에 한국 기업이 절반이다. 즉 삼원계 양극재를 생산하는 업체의 절반 이상은 한국 기업이라고 할 수 있을 만큼, 국내의 양극재 업체는 세계적으로 선두에 있다. 따라서 니켈 비중이 80% 이상으로 높은 하이니켈 양극재 또한 우리나라가 선두주자임을 알 수 있다

 

하이니켈 양극재 시장의 전망

최근 LG화학은 6월부터 청주 양극재 공장에서 차세대 배터리용 하이니켈 단입자 양극재를 양산했다고 밝혔다. LG화학은 국내 최초로 하이니켈 단입자(단결정) 양극재 양산에 돌입한 것으로, 오는 2027년까지 단입자 양극재 생산 라인을 구미 공장으로 확장해 연간 5만 톤 이상의 생산 규모를 갖춘다는 계획이다.

단입자 양극재란 니켈, 코발트, 망간 등 여러 금속을 하나의 입자 형상으로 만든 소재로, 기존의 다결정 입자 형태를 단입자화한 양극재다. 기존의 다결정 양극재는 배터리 전극 공정이나 사용 중 입자 형태가 깨질 수 있다. 입자가 깨지면 내부 가스가 발생하고, 가스로 배터리가 부풀어 오르면 발화성 물질인 전해액이 양·음극활물질과 직접 닿아 화재가 발생할 수 있는 단점이 존재한다. 하지만 소재를 단입자화하면 단단해져 깨짐 현상이 거의 발생하지 않기 때문에, 단결정 양극재는 배터리의 하이니켈 구현을 위해 필수적이라고 할 수 있다. 또한 내구성이 높은 단입자 양극재를 사용하면 배터리 수명을 기존보다 30% 이상 늘릴 수 있고, 기존 양극재보다 밀도를 높일 수 있어 배터리 용량도 10% 이상 늘릴 수 있다. 예를 들어, 기존 양극재로 만든 배터리를 탑재한 전기차가 한번 충전에 500㎞를 간다면, 같은 크기의 단입자 양극재 배터리로는 550㎞ 이상 주행할 수 있다.

 아울러 국내 양극재·배터리 셀 기업이 니켈 함량을 90% 이상 끌어올린 울트라 하이니켈(Ultra High-Nikel)까지 넘보면서 관련 배터리 제품의 상용화 시기에도 관심이 모이고 있다. 울트라 하이니켈은 니켈 비중을 90% 이상으로 끌어올린 배터리로, 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 양극재 기준으로는 코발트 함량이 0.1~0.2%까지 떨어져 '코발트 리스(Cobalt less)'라고도 불린다. 코발트·망간 비중을 낮춘 탓에 안정성은 떨어지지만, 에너지밀도를 극한으로 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 제품이 상용화되면 차량 내 배터리 탑재량을 줄일 수 있어, 전기차 대당 원가를 크게 줄이고 성능은 높일 수 있게 된다. 대표적인 배터리 사인 LG에너지솔루션은 니켈 함량이 90% 중반대에 달하는 제품이 양산될 가능성도 있으며, SDI는 내년에 니켈 함량이 91%로 늘어난 P6 양산이 점쳐지고 있다. 또한 SK온은 NCM9에 이어 니켈 함량을 95%까지 높인 삼원계 배터리 개발을 진행하는 것으로 전해졌다.

업계는 울트라 하이니켈 배터리의 성공적인 상용화를 위해서는 단결정 양극재 적용이 우선돼야 한다고 입을 모으고 있다. 급증한 니켈 함량으로 안정성이 떨어지는 만큼, 이를 보완할 수 있는 안정적인 소재가 필요한 탓이다. 따라서 최근 LG화학의 하이니켈 단입자 양극재 양산 소식이 있었던 만큼, 앞으로는 울트라 하이니켈 배터리가 상용화될 것으로 기대한다.

 

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이차전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다", 작성자(22기 류나연, 23기 김용대), https://renewableenergyfollowers.org/4069

[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다!

2. "[인터배터리 2023 견학기] 우리나라에서도 LFP배터리를?", 작성자(21기 곽서영),

https://renewableenergyfollowers.org/4028

[인터배터리 2023 견학기] 우리나라에서도 LFP 배터리를?

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참고문헌

하이니켈이란?

1)    구윤모, “전기차 배터리, ‘니켈 함유량’ 경쟁… ‘하이니켈’ 왜 뜨나”, 뉴스핌, 2020.09.06,  https://www.newspim.com/news/view/20200904000409

여러가지양극재

1)    네이버 화학테크사전, “양극재”, 2023.07.16,   https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6546817&cid=63839&categoryId=63839

2)    김동규, “배터리 용량을 늘려라…NCA 양극재는 무엇?”, 이코노믹리뷰, 2018.11.13, https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=350376

국내 하이니켈 연구

1) LG화학, "리튬이차전지용 양극 활물질, 이의 제조방법, 이를 포함하는 리튬 이차전지용 양극 및 리튬이차전지", 10-2022-0036210, 2022.03.23

2) LG에너지솔루션, "리튬 이차 전지용 양극 첨가제를 포함하는 양극", 10-2022-0101343, 2022.08.12

3)김천중, 공침법을 통한 Ni-rich NCMA 합성과 붕소와 주석 도핑을 통한 사이클 특성 향상, 한국재료학회지, 2022.04.14

4) 유성태, 겹층구조의 LMO-NCM 복합양극을 통한 고온 사이클 수명개선 연구, Journal of the Korean Electrochemical Society, 2022.11.17

대한민국, 하이니켈 양극재의 선두주자

1) 이세영, “[K-배터리 톺아보기/③양극재] 하이니켈 양극재 공장 짓는 韓, 日·유럽과 '무한경쟁'”, 굿모닝경제, 2023.05.04, http://www.goodkyung.com/news/articleView.html?idxno=206721

2) 이윤정, “[세계로 뻗는 K기업] 배터리 양극재 25%가 한국산, 글로벌서 ‘러브콜’”, 조선비즈, 2023.01.02, https://biz.chosun.com/industry/company/2023/01/02/BTGM6XXFJBBOPHTK332KN2NRNY/

하이니켈 양극재 시장의 전망

1) 고성현, “하이니켈서 울트라니켈로…배터리 고성능화 급물살”, 디지털투데이, 2023.05.19, http://www.digitaltoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=476864

2) 이창훈, “LG화학, ‘하이니켈 단입자 양극재’ 국내 최초 양산”, 이코노미스트, 2023.06.26, https://economist.co.kr/article/view/ecn202306260014