요즘 전기차 배터리 관련 소식으로 떠들썩합니다. 일부 언론에서는 <삼성과 LG도 못한 일을 스타트업이 해냈다!> 이렇게 소개를 하고 있죠. 제목만 보면 도대체 얼마나 대단하길래 이렇게 치켜세우나 싶었는데, 내용을 살펴보니, 이런 기업들이 있어서 다행이라는 생각이 드네요.

전기차 배터리의 양극 소재 중 하나인 '니켈'의 함량을 무려 98%까지 끌어올리는데 성공했거든요. 업계에서는 도달할 수 없는 한계를 돌파했다고 난리가 났습니다. 게다가 상용화 직전 단계까지 와서, 조만간 고성능 전기차 배터리의 등장을 기대해 볼 수 있을 거라는 평을 내놓고 있습니다.

자, 그래서 오늘의 주제는요 바로 니켈 함량이 높은 배터리, '하이니켈 배터리'입니다. 이것의 정체가 뭔지, 어디에 좋은 건지 간단히 알아보겠습니다.

본론으로 들어가기 전에 전기차 배터리의 구조를 간단하게 알아볼게요. 이걸 알아야 이해하는 데 도움이 되거든요.

전기차 배터리는 크게 양극재, 음극재, 전해액, 분리막으로 구성되어 있어요.

양극재는 배터리의 용량과 출력을 결정하는 부분이고 음극재는 충전 속도와 수명을 결정합니다. 그리고 분리막은 양극과 음극이 서로 만나지 못하게 가로막는 보호막 역할을 하고, 전해액은 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하죠. 

그래서

리튬이온이 양극에서 음극으로 가면 배터리가 충전되고

리튬이온이 음극에서 양극으로 가면 배터리가 방전돼요.

자, 여기서 주목할 부분은 바로 리튬이온 배터리의 '양극재'입니다. 양극재 성분이 무엇이냐에 따라 지금보다 더 멀리 갈 수 있는 전기차를 만들 수 있거든요.

요즘 출시된 전기차에는 양극재가 NCM인 배터리가 대부분입니다. 그리고 우리나라 점유율이 꽤나 높죠. 아무튼, NCM은 니켈 – 코발트 – 망간의 앞 글자를 딴 건데 각 성분이 하는 역할이 정해져 있습니다.

니켈은 에너지 밀도, 즉 배터리 용량과 관계가 있습니다. 그리고 코발트와 망간은 배터리의 안전성을 높이는 역할을 해요.

그러니까 니켈 성분이 많으면 전기차 주행거리가 늘어난다는 의미인데, 문제는 니켈 함량을 너무 높이면 배터리가 불안정해져요. 쉽게 말해서 불타는 전기차가 되기 쉬워진다는 거죠.

그래서 몇 년 전만 하더라도 NCM 비율을 1:1:1로 맞추거나 최대 6:2:2 수준으로 하는데 그쳤죠.

ⓒ Yo-Co-Man - CC BY-SA 4.0

참고로 중국은 전기차 배터리 완성도가 떨어져서 LFP 배터리, 즉 리튬-인산-철 배터리를 만들고 있죠. 가격이 저렴하고 안정성이 높지만 충전 용량이 작아서 주행거리가 짧은 게 단점이죠. 그런데 이것마저도 화재로 몸살을 앓고 있으니... 갈 길이 멀어 보이네요. 

아무튼, NCM에서 니켈 성분이 아주 높은 배터리를 '하이니켈 배터리'라 부릅니다. 

신형 전기차들은 니켈 함량이 80%이고 코발트와 망간이 각각 10%인 NCM 811 하이니켈 배터리를 써요. 그래서 주행거리가 400km에서 600km 정도 되죠.

최근엔 우리나라 배터리 제조사를 중심으로 니켈 함량이 88%인 하이니켈 배터리가 공급된다고 하네요.

삼성 SDI는 BMW에 이 배터리를 공급할 예정이고

SK 이노베이션은 포드 F-150 라이트닝에 이 배터리를 납품한다고 합니다.

또, LG에너지솔루션은 GM과 손을 잡고 니켈 함량이 90%인 배터리를 개발하고 있죠. 이걸 안정적으로 뽑아낼 수 있는 곳이 사실상 우리나라를 포함해서 몇 군데 없을 만큼 매우 고난도 기술로 평가받고 있습니다.

보통 니켈 함량이 90%인 리튬이온 배터리는 100% 완충 시 600km에서 700km까지 갈 수 있다고 합니다. 그만큼 에너지 밀도가 높은 것을 의미하죠.

자, 여기까지 양극재가 뭔지, NCM이 뭔지 간단히 알아봤습니다. 이제 본론으로 들어가 볼까요?

올해 여름에 삼성 SDI는 NCM 배터리의 니켈 함량은 이론상 94%가 한계라 이야기한 적이 있습니다. 이 내용은 LG 에너지솔루션과 SK 이노베이션도 동의한 내용인데, 니켈 함량을 더 끌어올리면 안전성을 유지하기 어렵다는 게 이유였죠.

실제로 개발은 하고 있는데 완성하는데 시간이 오래 걸리는 상황이기도 했고요. 그래서 제조사들은 이를 해결하려고 하이니켈 배터리에 알루미늄을 추가한 NCMA 배터리를 해결책으로 내놨습니다.

양극재 성분이 니켈-코발트-망간-알루미늄 조합인 차세대 배터리인데, 코발트를 덜어내고 알루미늄 성분을 넣은 겁니다. 알루미늄을 집어넣으면 코발트 성분을 대신해서 배터리의 안전성과 수명을 유지하는 데 도움 됩니다. 또, 코발트보다 저렴해서 배터리 가격을 내리는데 큰 도움이 되죠.

이런 장점 때문에 알루미늄을 더 집어넣거나 아예 코발트를 대체하는 NCA 배터리가 개발되고 있어요. 

그런데, 코발트가 도대체 얼마나 비싸길래 이런 결정을 하게 된 걸까요?

코발트는 원재료 가격이 말도 못 하게 비싼데, 배터리 가격을 하늘 높은 줄 모르게 치솟게 만드는 원흉입니다.

코발트 톤 당 시세

니켈 톤 당 시세 / 코발트가 약 3배 비쌈

알루미늄 톤 당 시세 / 코발트가 약 18배 비쌈

망간 톤 당 시세 / 코발트가 약 30배 비쌈

현재 코발트의 1톤 당 시세는 니켈의 2~5배, 알루미늄의 15~25배, 망간의 30~33배에 달해요. 얼마나 비싼 지 아시겠죠?

자, 좀 더 쉽게 설명드리면 평균적으로 전기차에 들어가는 양극재의 무게는 100kg나 돼요. 배터리 전체 무게의 4분의 1 수준인데, 코발트의 비율이 낮더라도 kg(킬로그램) 단위이기 때문에 가격으로 치면 다른 재료보다 가격 비율이 높아요. 

게다가 전기차 배터리 수요가 해마다 20% 가까이 폭발적으로 증가하고 있는 상황이라 원자재 시세는 앞으로도 계속 올라갈 예정입니다.

그래서 폭스바겐, 현대차, LG, 삼성, SK 등 전기차와 배터리 제조사들은 배터리 재활용 기술에 돈을 쏟아붓고 있는 상황이죠.

아무튼, 이런 상황에 우리나라에서 니켈 함량이 98%인 NCMA 배터리가 개발돼서 화제가 된 적이 있습니다.

ⓒ UNIST - 사진: 안홍범 / 조재필 에너지 및 화학공학부 교수 / 조재필 교수는 역대 노벨과학상 수상자에 근접한 실적을 낸 과학자로 이름을 올린 바 있다.

울산과학기술원의 에너지화학공학과 조재필 교수가 세운 스타트업에서 개발한 기술인데, 코발트 함량을 1% 밑으로 확 줄이는 대신 알루미늄을 넣고 니켈 함량을 끌어올리는데 성공한 겁니다.

아무리 끌어올려도 94% 위로는 못 간다고 했던 대기업들의 예상을 깨고 하이니켈 배터리의 끝판왕을 개발한 거죠.

그래서 니켈함량이 90%인 배터리보다 용량이 16% 정도 많아요. 단순 계산으로는 600km 갈 수 있던 전기차가 약 700km에서 812km까지 갈 수 있게 되죠. 더 놀라운 건 보통 이런 소식이 보도되면 연구 단계라 실제로 적용하기 어려운 경우가 많았는데, 98%-하이니켈 배터리는 양산 직전 단계까지 와 있습니다.

2022년 초, 그러니까 몇 개월 뒤면 양산 테스트에 돌입을 한다고 하죠. 그렇다면 어떻게 해서 리튬 이온배터리의 한계를 돌파할 수 있었던 걸까요?

비결은 양극재 코팅 기술력 덕분입니다.

현재 전기차 배터리에 들어가는 양극재는 작은 알갱이들을 뭉쳐 놓은 '다결정'형태입니다. 이걸 배터리 공장에서 반죽 밀대로 밀듯, 알루미늄 롤러에 넣고 통과시켜서 얇은 판으로 만들어요, 이 과정을 '압연'이라 부르는데, 작은 알갱이들을 뭉쳐서 만들다 보니 압연 과정 중 보이지 않는 균열이 발생하죠.

이렇게 되면 균열을 통해 배터리에 불필요한 반응들이 일어나서 배터리 수명을 깎아 먹어요.

반면 98% 하이니켈 배터리는 다결정이 아닌 단결정 형태입니다. 양극소재에 세라믹 코팅을 입혀서 문제를 해결한 거죠. 업계에서는 이 기술이 현재 배터리 보다 2년 정도 앞서 있다고 평가했습니다. 

만약 내년 초에 양산 테스트를 성공하게 되면 전기차에 엄청난 변화가 있을 겁니다. 배터리 용량이 크다 보니, 더 적은 부피로도 같은 주행거리를 갈 수 있게 만들 수 있죠. 그러면 실내 공간에 여유가 더 생기고, 그만큼 차 디자인이나 성능을 조절하는데도 더 자유로워지겠죠. 또, 전기차 값이 더 저렴해지겠죠? 코발트 대신 알루미늄을 넣었으니 말이죠.

여담이지만 테슬라도 이 코발트 비율을 최대한 낮추느라 진땀을 빼고 있죠. 

전기차 배터리는 전기차를 만드는 기술 중에 발전 속도가 제일 느려요. 그만큼 만들기 어렵기 때문이죠. 120년 전 내연기관차와 전기차가 동시에 등장했지만 내연기관차가 먼저 발전한 이유이기도 해요.

하지만 늘 그렇듯, 전 세계 과학자들은 해답을 찾아내고 있습니다. 그리고 그 선두에 우리나라 과학자들과 기업들이 있죠. 유럽에서 시작됐지만 배터리 기술 트렌드는 우리가 주도하고 있는 거죠.

이번에 소개한 기술이 하루빨리 전기차에 적용되었으면 합니다. 주행거리 800km 전기차, 10년 후에나 가능할 것 같던 일들이 빠른 시일 내에 구현되었으면 합니다.

전기차 700km 곧 가능. 상상을 뛰어넘는 K-배터리

글 / 다키 포스트

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