[배터리 인사이드]①NCM? LFP?…주행거리 결정짓는 양극

[이데일리 경계영 기자] ‘제2의 반도체’ ‘제조업의 차세대 성장동력’ 배터리(이차전지)를 부르는 수식어다. 배터리 성장세를 이끌 전기차 시장은 2040년 세계 승용차 판매량의 58%(블룸버그NEF)에 달할 정도로 가파르게 커질 전망이다.

현재 전기차를 포함해 휴대폰, 전동공구 등에 두루 쓰이는 배터리는 리튬이온 배터리다. 리튬이온이 이동해 에너지를 생산하기 때문에 리튬이온 배터리로 불린다.

리튬이온 배터리는 전해질에 있는 리튬이온이 음극(-)에 저장(충전)돼있다가 양극(+)으로 저장되면서 에너지를 발생시킨다. 전해질은 리튬이온을 양·음극 사이에서 이동할 수 있도록 하는 통로이며 분리막은 양·음극이 만나지 않도록 물리적으로 막는 역할을 한다. 이렇게 양·음극 활물질과 전해질, 분리막이 배터리의 4대 핵심 요소다.

이 가운데 가장 중요한 역할을 맡는 것은 양극이다. 배터리 용량, 즉 한번 충전했을 때 얼마큼 주행할 수 있는지를 결정하기 때문이다. SNE리서치 분석을 보면 배터리 원가에서 양극이 차지하는 비중은 22.2%로 다른 4대 소재 음극(5.8%)·분리막(11.2%)·전해질(6.4%)보다 더 높다.

(자료=삼성SDI)

양극은 얇은 알루미늄판에 배터리 내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 물질인 활물질과 전기 전도성을 높여주는 도전제, 이들 물질이 알루미늄판에 잘 붙도록 돕는 접착제 등으로 구성된다.

양극 활물질은 리튬과 금속 성분을 조합하는데 전기차 배터리의 경우 △니켈계(NCM·NCA) △리튬인산철(LFP) 등 크게 두 가지가 쓰인다. 대부분 전기차 배터리 업체는 니켈계를, 중국계 전기차 배터리 업체를 중심으로 LFP를 각각 사용한다.

우선 니켈계를 보면 NCM과 NCA에서 니켈(Ni)은 용량을, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성을, 알루미늄(Al)은 출력을 각각 담당한다. LG화학(051910)과 SK이노베이션(096770)은 NCM을, 삼성SDI(006400)는 NCA와 NCM 모두를 개발하고 있다.

니켈 함량을 높일수록 배터리 용량을 높일 수 있는 만큼 배터리 제조사로선 니켈 함량을 높인 하이(high) 니켈 배터리 개발에 주력하고 있다. 다만 니켈 함량을 높인 만큼 안전성 혹은 출력을 담당하는 물질을 줄여야 하다보니 안전성을 유지하는 것이 주요 과제다.

LG화학은 내년 하반기부터 NCM에 알루미늄을 더한 NCMA 배터리를 양산할 계획으로 니켈 함량을 89~90% 수준으로 끌어올린다. 삼성SDI는 내년 선보일 5세대(Gen5) 배터리 양극 활물질로 니켈 함량을 88% 이상인 NCA를 사용할 예정이다. SK이노베이션은 2018년부터 NCM811 배터리를 양산하며 지난해 NCM9½½ 배터리 개발에 성공했다. 뒤의 숫자는 배터리 내 함량으로 NCM811의 경우 니켈 80%, 코발트와 망간 각 10%씩 들어가있다는 의미다.

LFP는 중국계 전기차 배터리 제조사가 주로 채택하는 배터리로 안전성이 높은 데다 값비싼 금속인 코발트가 쓰이지 않아 가격이 낮다는 장점이 있다. 다만 에너지 밀도와 출력이 낮고 부피가 커 니켈계보다 널리 쓰이지 않는다.