‘코발트 빼고 ○○ 넣고’ 배터리 성능 가르는 이것
양극 활물질, 배터리 용량·힘의 원천
최근 테슬라가 전기차 트럭 일부 모델과 저가형 소형차 모델에 리튬·인산·철(LFP) 배터리를 사용할 계획이라고 밝혔죠. 그래서 LFP 배터리에 관한 관심이 높아지고 있습니다. 그간 니켈·코발트·망간(NCM) 배터리 개발에 집중해온 국내 배터리 3사는 이러한 흐름을 읽고 앞서 LFP 배터리 개발에 착수하겠다는 의지를 밝히기도 했습니다.
이처럼 글로벌 배터리 시장의 주축을 이루는 ‘NCM 배터리’와 ‘LFP 배터리’에 대해 자주 들어보셨을 텐데요. 사실 NCM과 LFP를 비롯해 다양한 배터리의 성능과 이름을 결정하는 게 결국은 ‘양극재’ 입니다.
오늘은 주요 구성요소인 양극재에 따라 배터리 성능이 어떻게 달라지는지 알아보겠습니다. 삼성SDI 뉴스룸을 참고했어요.
니켈·망간·코발트·알루미늄 역할 제각각
배터리 4대 구성 요소 양극재·음극재·분리막·전해질 중 양극재는 가장 중요한 핵심 소재로 꼽힙니다. 배터리 용량과 출력을 결정하는 양극재는 배터리 원가의 40% 이상을 차지하기도 해요.
양극은 활물질·도전재·바인더가 결합된 합제를 알루미늄판 위에 바른 모양인데요. 이중 전기를 생산하는 메인은 ‘활물질’입니다. 이 활물질에 있는 리튬이 배터리의 용량과 전압을 결정해요.
다만 리튬 단독으로는 양극 활물질로 사용되지 않아요. 리튬은 ‘하얀 석유’라고 불릴 만큼 배터리의 원료 중에서 값비싸고 귀한 물질이지만 다루기 쉽지 않은 특성이 있거든요. 물과 공기와도 반응하기 때문에 이동과 보관이 쉽지 않아요.
그래서 리튬이온배터리 활물질로는 순수 리튬이 아닌 ‘리튬금속산화물’이 사용돼요. 산화물일 때 리튬은 산소와 결합돼 있기에 활물질로 사용하기 비교적 쉽습니다.
리튬금속산화물은 어떤 금속을 쓰느냐에 따라 특성이 달라져요. △니켈(Ni)은 고용량 △망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성 △알루미늄(Al)은 출력을 높이는 역할을 해요.
배터리 기업들은 이 금속들을 활물질에 넣어 LCO·LMO·LFP·NCM·NCA 등 5개 종류의 리튬이온배터리를 생산하고 있습니다.
LCO·LMO·LFP·NCM·NCA는 뭘까
LCO는 가장 먼저 개발된 배터리예요. 노벨화학상을 수상한 굿이너프 교수가 1980년 논문으로 발표한 LCO는 리튬·코발트·산소 입자를 조합한 건데, 일본 소니가 최초로 채택해 배터리로 만들어냈어요. 1990년대 초반부터 휴대용 전자기기에 사용되면서 급속히 대중화가 됐습니다.
LCO의 장단점은 명확했어요. 공기와 물에 반응하지 않는 코발트에 반대로 공기·물에 쉽게 반응하는 리튬을 적절히 섞으면 부식과 폭발의 위험을 제어하기 용이했어요. 그래서 스마트폰을 포함한 많은 기기에 사용됐죠.
하지만 코발트의 유동적 가격과 불안정한 수급이 리스크로 지적됐어요. 용량과 출력을 더 높이고 안전성을 개선해 전동공구, 전기자동차 등으로 용도를 확장하기 위해선 코발트의 비중을 줄이고 다른 소재로 대체하는 것이 필요했습니다.
이에 탄생하게 된 것이 LMO·LFP·NCM·NCA입니다. LMO·LFP는 기존의 코발트를 다른 물질로 아예 대체한 것이고, NCM·NCA는 타 활물질을 추가해 코발트 함량을 줄이는 방향으로 발전한 것이 핵심이에요.
LMO는 LCO에서 코발트를 망간으로 대체한 건데, LMO는 가격이 안정적인 반면 용량은 LCO를 따라가지 못한다고 해요. 망간이 산화·환원 반응에 직접 관여하지 않고 리튬이온이 드나드는 것을 제한하기 때문이죠. 고온에서 작동이 어려운 단점도 있어요.
최근 대세로 떠오르는 LFP 장단점도 LMO와 비슷합니다. 주요 소재인 철(Fe)과 인(P)이 값싸고 풍부한 자원이기 때문이에요. 화학구조상 매우 안정적이라 발화·폭발의 위험을 쉽게 낮출 수 있기 때문에 기술적 난이도도 낮은 편이라고 해요.
하지만 LFP는 평균 전압이 LCO보다 0.5볼트 이상 낮아 에너지 밀도가 낮습니다. 원소재 영향으로 무게도 많이 나가고요.
다음은 삼원계 배터리로 불리는 NCM과 NCA입니다. LCO의 코발트 비중을 줄이는 과정서 ‘3개 물질을 조합한 양극 활물질’을 활용하게 됐고, 때문에 ‘삼원계’라는 용어가 유래했어요.
코발트를 대체하면서 에너지 용량은 유지할 수 있는 금속으로 채택된 것은 바로 니켈입니다. 니켈은 지구상에 많이 존재하는 단단한 은백색의 금속으로 연성이 좋아요. 코발트와 성질이 비슷하면서도 생산량이 많고 가격도 저렴합니다.
NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 배터리예요. 코발트보다 가격이 저렴한 니켈 함량을 극대화해 코발트 함량을 줄이는 방향으로 발전해 왔습니다. 가장 기본적인 NCM 비율은 니켈·코발트·망간이 1:1:1로 구성됩니다.
NCA는 LCO에 니켈과 알루미늄을 추가한 활물질로 니켈 비중을 늘리면서 에너지 출력을 향상했어요. NCM에서 망간 대신 알루미늄을 넣었다고 이해하면 쉽죠. 하지만 NCA는 NCM 대비 상대적으로 높은 기술력이 요구돼 생산 난이도가 높다고 해요.
테슬라가 픽한 LFP…지각변동 가능성
가격 경쟁력을 앞세운 중국 배터리 업체들은 LFP 생산에 공을 들이고 있어요. 주행거리가 비교적 짧은 전기자동차나 에너지 저장 시스템(ESS)을 위한 LFP를 주로 개발하고 있는데요.
지금까진 LFP의 전기자동차 적용은 한계가 있을 것이라는 게 업계 중론이었지만 최근 테슬라의 발표에 적지 않은 변화가 일어날 것 같기도 해요. 그간 전기자동차 업체들이 에너지 용량이 높고 가벼운 배터리를 원한다는 점에서 NCM 수요가 더 높게 점쳐졌었거든요.
테슬라는 지난 3월1일 ‘인베스터데이(투자자의 날)’ 행사에서 발표한 장기 사업계획인 ‘마스터플랜 파트3’ 전문을 공개했어요. 대형 전기트럭인 세미라이트와 소형 전기차에 LFP를 사용하겠다는 게 주 내용이었죠.
테슬라가 예상보다 LFP 사용계획을 확대하면서 북미 시장 내 LFP 수요가 확대될 것이란 증권가 전망이 지배적입니다. 그만큼 비용에 대한 수요가 강하다는 의미로 해석되고 있어요.
테슬라는 향후 LFP가 글로벌 시장점유율 61%를 차지할 것으로 예상하기도 했어요. 지난해 8월 글로벌 투자은행 UBS도 오는 2030년경 LFP의 시장점유율 예상치를 기존 15%에서 40%로 상향 조정한 바 있고요.
이에 최근 LG에너지솔루션·삼성SDI·SK온 등 국내 배터리 3사도 LFP 개발에 뛰어들었습니다. 포트폴리오 다변화에 적극 나서는 모양새죠. LFP는 개발 및 생산 난이도가 쉬운 편이라 시장 진입장벽은 비교적 높지 않을 것으로 관측돼요.
LG에너지솔루션은 올해 중국 난징공장의 ESS 생산라인 일부를 LFP 배터리 라인으로 전환한다는 계획이고, SK온은 향후 LFP 배터리와 코발트 프리 배터리를 통해 사업 포트폴리오를 다변화하겠다는 구상이에요.
삼성SDI는 대표가 직접 나서 해당 시장 진출을 공식화했습니다. 최윤호 삼성SDI 대표는 지난 3월15일 정기주주총회 직후 기자들과 만나 “LFP도 중요한 플랫폼 중 하나”라며 “향후 사업과 고객의 다양성이 중요하기 때문에 열심히 준비하고 있다”고 언급했어요.
그간 뛰어난 기술력을 기반으로 NCM에 주력해온 국내 배터리 업계가 중국과의 LFP 전쟁에서도 승기를 쥘 수 있을지 기대가 모아집니다.
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강민경 (klk707@bizwatch.co.kr)
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