[궁금한 THE 이야기] ② 배터리 성능을 올려라! ‘양극재’ A to Z

모바일 기기에 탑재되는 소형전지 중심의 2차전지 산업은 전기자동차(EV), 에너지저장시스템(ESS)용 중대형전지를 생산하면서 그 위상이 크게 변화했다. 더불어 ‘전동화·무선화·친환경화’이라는 글로벌 트렌드의 부상으로 성능이 우수한 2차전지에 대한 수요가 급증하는 추세다.

l 리튬이온배터리 구조와 작동 원리

현재 배터리의 주류로 자리 잡은 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 4가지 요소로 구성되며, 양극(+)과 음극(-) 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 장치다. 다시 말해 양극의 리튬 이온이 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 반대로 음극의 리튬 이온이 양극으로 돌아가면 배터리가 방전되는 원리다.
*산화환원 반응이란 반응물 간의 ‘전자(e-) 이동’으로 일어나는 반응으로, 전자를 잃은 쪽을 ‘산화’됐다고 하고 전자를 얻은 쪽을 ‘환원’됐다고 말한다.

l 힘 세고 오래가는 배터리의 근원, 양극재

배터리가 저장할 수 있는 에너지 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것인데, 양극재가 바로 배터리의 성능을 좌우할 ‘용량’과 ‘전압’을 결정하는 핵심 소재다. 리튬이온배터리를 구성하는 네 가지 요소 중 양극재에 더욱 주목해볼 만한 이유다. 특히나 양극재 시장은 전기차 및 에너지저장시스템 등의 수요가 급성장함에 따라 연평균 33% 증가해 2025년에는 275만 톤 규모로 성장할 전망이다.

배터리 성능과 특성을 결정짓는 양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 이루어져 있다. 주로 사용되는 금속 성분은 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력을 향상하는 알루미늄(Al)으로, 어느 원소를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라서 양극재의 △용량 △에너지밀도 △안정성 △수명 △가격경쟁력이 달라진다. 전기차로 쉽게 설명하자면, 용량은 주행거리, 에너지밀도는 전기차의 출력, 안정성은 배터리의 화재 등 사고를 제어하는 능력, 수명은 배터리 사용 기간에 영향을 미친다.
국내 전기차 배터리 사업자들은 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 두 종류의 삼원계 배터리*를 주력으로 하고 있다. 그중에서도 주행거리와 출력이 우수한 NCM 양극재가 현재 전기차용 이차전지로 가장 많이 사용되고 있다.
*삼원계 배터리 : 양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 다른 금속 원소를 추가해 총 세 가지 금속 원소가 들어간 배터리를 의미한다.

최근 원자재 가격 변동에 따라 값비싼 코발트의 함량을 줄이고, 니켈의 함량을 60% 이상으로 높인 ‘하이니켈 배터리’가 개발되는 추세다. 니켈 비중을 높이면 동일한 크기의 배터리에 용량을 증대시켜, 전기차 주행거리를 확보할 수 있는 장점도 있기 때문이다. 다만, 니켈 함량이 높아질 때 안정성이 떨어지는 단점이 있어, 안정성을 높이기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.

NCA의 경우 니켈, 코발트, 알루미늄의 구성 비율이 8:1:1로, 니켈 함량이 높고 알루미늄이 포함돼 타 소재에 비해 배터리 밀도와 출력이 높다. 이러한 이유로 NCA는 원통형 배터리 등 소형전지에 주로 쓰이고 있다.

CATL 등 중국계 배터리 제조사에서 주로 생산하는 LFP(리튬·인산·철)는 코발트와 니켈을 사용하지 않고, 대신 철(Fe)를 사용한다. NCM 대비 약 30% 이상 저렴하며 안정성이 높은 반면, 에너지밀도가 낮아 주행거리가 짧고 출력이 낮은 단점이 있다. 이에 에너지 밀도를 높여 주행거리를 확보하는데 집중하고 있다.

l 양극재 생산능력 확대에 강세 보이는 포스코케미칼

현재 포스코케미칼의 양극재 생산능력은 올해 말 기준 연산 10.5만 톤에서 2025년 34.5만 톤, 2030년 60.5만 톤까지 확대해 2030년까지 글로벌 1위 수준의 양극재 양산 능력을 확보할 계획이다. 포스코케미칼은 단일공장 기준 세계 최대수준의 연산 9만 톤 수준의 양극재 광양 공장을 올해 10월 준공할 예정이다. 포스코그룹은 원료 경쟁력과 양산 능력이 집적된 광양만 율촌산단의 양극재 컴플렉스를 통해, 배터리소재 글로벌 선도기업으로의 도약을 목표로 하고 있다.

전기차 시장의 확대와 함께 에너지 저장 밀도의 증가, 안전성 향상, 급속 충전 등 리튬이온전지의 성능 향상에 대한 요구가 계속해서 높아지고 있는 상황이다. 기존 소재의 성능 향상과 핵심 기술에 대한 지속적인 연구 개발을 통해 안전하면서 지속가능한 새로운 양극소재를 발굴해 우리 삶의 풍요를 가져오길 기대한다.