전기차 배터리를 구성하는 양극, 음극, 전해질, 분리막 중 양극을 이루는 원소재인 양극재 종류 6가지 (NCM, NCMA, NCA, NMX, LFP, LMR)에 대해 알아보겠습니다.
양극재의 정의, 기능, 특징
양극재는 배터리를 구성하는 요소 중 하나로 기존에 일반인들에게는 잘 알려지지 않았지 최근 주식시장의 가장 큰 이슈이자 테마였던 2차 전지 배터리가 떠오르게 되면서 이제는 모르는 사람이 없을 정도로 잘 알려지게 되었습니다. 양극재 종류를 이해하기 전 양극재를 이해하기 위해 간단하게 배터리의 구조에 대해 먼저 알아보겠습니다.
배터리의 구조
여러 종류의 배터리가 존재하지만 현재 가장 많이 상용화되어 있고, 화재의 주요 원인이 되고 있는 리튬이온 배터리의 구조를 알아보도록 하겠습니다. 리튬 이온 배터리는 4개의 구조로 구분되어 있으며 구조별 역할은 아래와 같습니다.
| 배터리 구조 | 역할 |
|---|---|
| 양극(재) | 배터리의 용량과 전압을 결정하는 부분으로 리튬 이온을 저장 |
| 음극(재) | 배터리 충전 시 양극으로 부터 이동한 리튬 이온을 저장 |
| 분리막 | 양극재와 음극재를 분리하여 접촉을 차단 |
| 전해액 | 양극재와 음극재 사이에서 리튬 이온을 원활하게 이동하게 하는 윤활재 역할 |
배터리는 위 구조와 같이 구성되어 있으며 자세한 배터리의 구조와 충/방전 시 전자의 움직임을 확인하시려면 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.
양극재란?
위와 같이 양극재란 배터리의 양극을 이루는 원소재로 배터리가 충/방전할 때 전자 (electron)의 이동에 따라 이를 저장하고 방출하는 역할을 하고 있습니다. 양극재의 성능에 따라 이동하는 전자의 수가 달라지기 때문에 배터리 용량/출력과 같은 성능에 중요한 원자재입니다.
양극재는 활물질, 도전재, 그리고 바인더로 구성되어 있으며 여기서 성능의 중요한 역할을 하는 활물질은 현재 리튬과 금속 성분의 조합으로 주로 만들어지고 있습니다. 이 조합에 따라 흔히 뉴스 기사를 통해 접했던 NCM 배터리나 LFP 배터리 등의 여러 종류로 구분할 수 있습니다.
현재 시장에서 양극재의 이 활물질의 큰 부분을 차지하고 있는 리튬은 배터리의 핵심 소재 떠오르고 있는데, 이 리튬 외 활물질을 이루는 금속성분 별 특성은 아래와 같습니다. 이는 양극재 종류를 구분하는 중요한 요소이기도 합니다.
- 니켈 (Ni) : 에너지 밀도 결정
- 코발트 (Co) : 안정성 및 배터리 수명 결정
- 망간 (Mn) : 안전성 결정
- 알루미늄 (Al) : 배터리 출력 결정
양극재 종류 6가지
양극재 종류는 크게 6가지가 있으며 전기차에는 주로 NCM과 LFP가 많이 사용되지만, 사용되는 제품의 목적에 따라 원소재 조합 비율을 다르게 조성하여 양극재 종류를 구분하고 있습니다. 양극재 종류별로 각기 다른 특징을 가지고 있으며 배터리를 평가하는 중요한 요소인 에너지 밀도, 출력, 수명, 가격 경쟁력, 그리고 안전성에 차이를 두고 있습니다.
| 종류 | 구성 요소 | 특징 |
|---|---|---|
| NCM | 니켈 (Ni), 코발트(Co),망간(Mn) | 높은 밀도, 출력, 수명 / 낮은 가격경쟁력, 안전성 |
| NCMA | 니켈 (Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) |
높은 밀도, 출력, 수명, 안전성 / 낮은 가격경쟁력 |
| NCA | 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al) | 적절한 밀도, 출력, 수명, 가격경쟁력 / 낮은 안전성 |
| NMX | 니켈(Ni), 망간(Mn) | 적절한 밀도, 출력, 수명, 안전성, 가격경쟁력 |
| LFP | 철(Fe), 인산(PO₄) | 높은 가격경쟁력, 안전성, 수명 / 낮은 밀도, 출력 |
| LMR | 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn) | 높은 가격경쟁력 / 적절한 밀도, 출력, 수명, 안전성 |
1. NCM 양극재 : 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 망간 (Mn)
NCM 양극재는 높은 에너지 밀도를 통해 높은 주행거리와 출력 확보가 가능한 특징으로 현재 양극재 종류중 전기차 배터리 소재로 가장 많이 사용 중에 있습니다. 높은 성능은 확보하였지만 그에 따라 가격 경쟁력 떨어지며 안전성 측면에서도 불리하여 화재에 취약하다는 단점이 있습니다.
NCM 양극재는 배터리 에너지 밀도를 결정하는 원소재인 니켈의 비중을 높여 ‘하이니켈 양극재’로 사용되고 있으며 니켈, 코발트, 망간을 각각 6:2:2 (NCM622), 또는 8:1:1 (NCM811) 비율로 사용되고 있습니다.
2. NCMA 양극재 : 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 망간 (Mn), 알루미늄 (Al)
NCMA 양극재는 높은 에너지 밀도와 출력을 확보하고 알루미늄을 추가하여 안정성과 수명, 그리고 가격 경쟁력까지 개선한 종류로 앞서 설명드린 NCM 양극재의 상위 레벨로 보시면 됩니다.
현재 전기차 배터리 소재로 많이 사용되고 있으나 아직 NCM과 같은 생산력은 확보되지 못했기 때문에 현재 NCM 양극재와 유사 수준의 공급망과 생산력을 갖추기 위해 많은 기업에서 연구개발에 박차를 가하고 있습니다.
3. NCA 양극재 : 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 알루미늄 (Al)
NCA 양극재는 니켈, 코발트, 알루미늄으로 이루어져 성능 측면을 극대화한 양극재로 니켈 비율이 80% 이상이기 때문에 높은 에너지밀도와 출력이 특징입니다.
안정성을 담당하는 망간의 부재로 열 안전성이 떨어지는 단점이 있습니다. 그렇기 때문에 현재는 다른 하이니켈 양극재와 유사하게 성능을 확보하고 안전성에 대한 부분은 배터리 패키지 구조 보강과 냉각 성능을 높여 단점을 상쇄하는 방안으로 전기차에 탑재되고 있습니다.
4. NMX 양극재 : 니켈 (Ni), 망간 (Mn)
NMX 양극재는 기존 NCM 양극재에서 코발트를 삭제하여 가격 경쟁력을 높인 양극재입니다. 에너지 밀도와 출력과 같은 성능과 수명 및 안전성 모두 준수한 장점으로 차세대 양극재 기술로 주목받고 있습니다. 가격 측면에서는 큰 메리트가 있지만 전기차의 중요한 성능인 주행거리 측면에서 아직은 많이 부족하기 때문에 아직 메인 스트림에서는 제외된 종류입니다.
5. LFP 양극재 : 철 (Fe), 인산 (PO₄)
LFP 양극재는 양극재 종류중 NCM 다음으로 시장 점유율을 차지하고 있는 종류로 가격 경쟁력과 안전성 측면에서 가장 우수하다는 특징이 있습니다. 다만, 에너지 밀도가 낮아 전기차의 주요 경쟁력인 주행거리 측면에서 불리하며 무거운 중량에 따라 전비가 나쁘다는 단점이 있습니다.
이런 단점을 보완하기 위해 이를 주력으로 사용하고 있는 중국 전기차 및 배터리 기업인 BYD에서는 블레이드 셀이라는 신규 배터리를 개발하여 셀 하나의 에너지 밀도는 낮지만 배터리 팩 전체의 에너지 밀도를 높이는 방법으로 차량에 적용 중에 있습니다.
LFP 양극재는 중국의 배터리 기업인 CATL과 BYD를 중심으로 상용화 되었지만 최근 국내 배터리 3사의 LFP 배터리 라인업 전개 발표에 따라 NCM 양극재와의 시장 점유율 싸움은 지속될 것으로 예상됩니다.
6. LMR 양극재 : 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 망간 (Mn)
마지막으로 LMR 양극재는 니켈과 코발트 비중을 낮추고 망간의 비중을 극대화하여 현재 주력으로 사용되고 있는 NCM / LFP 양극재의 잠점을 모두 가진 ‘하이망간, 고망간’ 양극재입니다. LMR 양극재에 주로 들어가는 망간의 경우 니켈 대비 매장량이 풍부하기 때문에 원가가 낮고 공급 안정성이 뛰어나 가격 경쟁력이 뛰어나며, 망간의 특성상 안정성이 뛰어납니다.
WRAP-UP
배터리 구조상 성능을 담당하는 양극의 원소재인 양극재 종류 6가지의 기능과 특징을 알아보았습니다. 전기차 시장 성장과 동시에 수요가 커질 것으로 예상되는 양극재가 앞으로는 어떤 방향으로 연구되고 어떤 종류가 현재의 NCM과 LFP의 자리를 차지할지 궁금해집니다.