전기차의 에너지 리튬이온 배터리 종류

리튬이온 배터리는 휴대용 전자기기에서부터 전기차에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이 배터리들은 고에너지 밀도, 재충전 가능성, 그리고 상대적으로 긴 수명으로 인해 인기가 높습니다. 리튬이온 배터리의 종류는 사용되는 양극 재료에 따라 다양하게 분류가 됩니다.

리튬이온배터리

1. 리튬이온 배터리의 종류

1) 삼원계 배터리

양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 다른 금속 원소를 추가하여, 총 세 가지 금속원소가 들어간 배터리

리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하면서 화학적 반응을 통해서 전기 에너지를 저장합니다.

양극재의 소재로는 리튬은 단독으로 사용하기에는 불안정한 특성을 지니고 있어서 다른 금속 원소들과 결합한 형태인 "리튬금속 산화물(LiMo2)"로 존재하게 됩니다. 양극재의 소재로 주로 사용하는 "리튬 코발트 산화물(LCO)"을 기본으로 니켈과 다른 원소가 더해져서 양극재에는 총 세 가지 원소가 들어가게 됩니다. 그래서 이러한 배터리를 삼원계 배터리라고 부릅니다. 대표적인 삼원계 배터리로는 "NCM"과 "NCA"로 나눌 수 있습니다.

a) NCM

NCM의 정확한 표기는 "LNCMO"이며, 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 하여 니켈(Ni)과 망간(Mn)이 결합하여 있는 것으로, 편의상 NCM이라고 부르게 된 것입니다. NCM은 니켈, 코발트, 망간이 구성되어 있으며, 제조사마다 다양한 비율로 원소들을 구성하게 됩니다. 다만, 원자재의 가격에 따라 비율이 달라지고 함량도 달라집니다.

ㄱ) 구성 : 니켈(Nickel), 망간(Manganese), 코발트(Cobalt)의 조합으로 이루어진 양극재를 사용합니다. 배터리 양극재의 핵심 소재인 니켈(Ni)은 날로 비중이 높아져 가고 있으며, 이 원소는 비중이 클수록 밀도가 높아집니다. 이에 따라서 전기차에서는 1회 충전으로 얼마큼 더 주행이 가능하냐에 사활을 걸고 있습니다. 코발트(Co)는 양극재의 부식을 막고, 안정성을 높여주는 기여합니다. 배터리 제조 원가의 약 20%를 차지하며, 희귀한 원소로써 "하얀 석유"라고도 불리기까지 합니다.

최근에 원자재 급등으로 인해서 니켈의 함량을 더 높이고, 값비싼 코발트 사용을 줄인 리튬이온 배터리를 개발하고 있습니다. 보통 니켈을 60% 이상으로 하여 "하이니켈" 배터리라고 부릅니다.

망가니즈(Mn)는 배터리의 안정성을 높이는 데 역할을 하고 있습니다.

ㄴ) 특징 : 높은 에너지 밀도와 좋은 수명을 제공합니다. 이러한 특성은 전기차 및 휴대용 전자기기에 적합합니다.

ㄷ) 장점 : 균형 잡힌 성능으로 에너지 밀도, 사이클 수명, 안정성 면에서 좋은 성능을 보입니다.

ㄹ) 단점 : 코발트의 비용이 많이 들고, 코발트 채굴이 환경 및 인권 문제를 야기할 수 있습니다.

b) NCA (Nickel Cobalt Aluminum)

ㄱ) 구성 : 리튬 코발트 산화물인 LCO에 니켈(Nickel), 알루미늄(Al)이 결합한 양극재입니다. NCA의 니켈, 코발트, 알루미늄의 비율은 각 배터리의 사용 환경과 조건에 맞게 구성되며, 일반적으로 니켈 함량이 높고, 알루미늄이 포함되어 있어서 다른 양극 소재에 비행 에너지 밀도와 출력이 높은 특징을 나타내고 있습니다. NCA는 NCM 양극재와 원소 조합 및 각 원소의 비율에서도 차이를 보입니다. 리튬이온 배터리를 구성하는 4가지 핵심 요소 중 하나인 양극재는 리튬이온이 저장되는 공간으로, 배터리의 용량과 전압을 결정하게 됩니다. 니켈(Ni)은 에너지 밀도를 높여주는 역할을 하고, 코발트(Co)는 안정성을 높여주는 데 기여합니다. 알루미늄(Al) 배터리의 출력과 안정성을 담당하게 됩니다. NCM 양극재보다 니켈의 함량이 단연 높고 알루미늄의 특성도 더해져, 더욱더 높은 에너지의 밀도와 출력을 가집니다.

그런데, 에너지 밀도가 높은 만큼 불안정할 수 있기 때문에 NCA 양극재는 주로 원통형 배터리와 같은 소형 전지에 주로 사용합니다.

2) 사원계 배터리

삼원계 배터리에 안정성을 더욱 높이기 위해 배터리 업계에서는 양극재에 한 가지 원소를 더 투입하여 사원계 배터리 개발에도 전념을 다 하고 있습니다. 리튬 코발트 산화물(LCO)을 기본으로 한 삼원계 배터리에 원소 하나가 더 추가되어, 총 4개의 금속 원소가 양극재를 구성하는 배터리를 말합니다. 대표적인 사원계 배터리로는 "NCMA"가 있으며, NCM(니켈, 코발트, 망간)에 알루미늄(Al) 원소가 하나 더 추가되어 결합한 배터리입니다.

높은 출력과 안전성, 가격 경쟁력까지 갖춘 사원계 배터리 "NCMA 양극재"

니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)로 구성된 NCM 양극재에 알루미늄(Al)을 추가하여 결합한 배터리입니다. 니켈(Ni)은 배터리의 용량과 에너지 밀도를 높여주는 역할을 하고, 코발트(Co)와 망가니즈(Mn)는 안정성을 높여줍니다. 여기에 알루미늄(Al)은 배터리의 출력과 안정성에 이바지합니다. 특히 NCMA 양극재는 니켈의 비중을 높이고, 값비싼 코발트의 함량이 상대적으로 줄어든 만큼 제조 원가를 낮출 수가 있습니다. NCMA 양극재는 다양한 형태로 원형, 각형, 파우치형 등을 만들어서 사용할 수가 있습니다.

3) LFP 배터리

리튬이온배터리는 양극재의 물질에 따라 구분되며, 삼원계와 사원계 그리고 코발트 대신에 인산철을 넣어 LFPO(LiFePO4) 양극재로 구성된 "LFP 배터리"가 있습니다. 중국 전기차가 주력으로 사용하는 배터리이자 최근 테슬라가 저렴한 가격으로 시장 공략을 위해 LFP 배터리를 채택하고 있어서 관심이 대두되고 있습니다. LFP 배터리는 가격이 저렴한 것이 가장 큰 장점이고 안정성도 좋습니다. 값비싼 코발트보다 저렴한 인산철을 사용하기 때문에 배터리 제조에 투입되는 원재료 가격을 낮출 수가 있습니다. 양극재 구조 중에서도 육면체 형태의 구조인 "올리빈 구조"로써 매우 안정적인 형태를 취합니다. 과충전, 과방전으로 인한 사고 가능성도 고, 배터리의 셀 열화 현상도 적어 배터리의 수명이 길다는 장점을 가지고 있습니다. 하지만 에너지의 밀도가 낮아서 전기차의 에너지원으로 사용할 경우 주행거리가 짧다는 단전이 큽니다.

다만 시장의 원자재 가격 상승으로 인해서 글로벌 시장에서 가격의 이점을 살려서 시장에 빠른 속도로 진입하고 있습니다.

삼원계와 사원계 배터리에서는 원재료 가격을 제외하고 성능에서 앞선 발걸음으로 가고 있습니다.

시장의 가격에 따라 소비되는 배터리는 변화가 불가피할 것입니다.

 

궁극적으로는 꿈의 배터리인 전고체 배터리가 지금까지의 리튬이온배터리 시장의 판도를 싹 바꿀 것으로 예상됩니다.

빠르게는 2027년을 양산으로 다양한 기업에서 꿈의 배터리 개발에 매진하고 있습니다.

배터리 원소들