LG에너지솔루션, 배터리 구조 혁신
'1회 충전 600㎞' 주행성능 업그레이드
삼성SDI 'NCA' SK이노 'NCM구반반'
니켈 90% 이상 구현 기술경쟁 가속
관련 통계자료 다운로드 배터리 종류별 주행거리 향상 추이 새해 전기차 배터리 시장의 화두는 니켈 비중 90%를 넘는 '하이니켈 배터리' 전환이 될 전망이다. 배터리 업계는 새로운 소재 구성으로 에너지 밀도를 극대화하는 배터리 상용화를 본격화하고, 전기차 업체들은 이들 신형 배터리로 주행거리를 늘리는 신차 출시에 속도를 낼 것으로 전망된다.
◇세계 첫 니켈 90% '하이니켈 배터리'
변화의 첫 스타트는 LG에너지솔루션이 엘앤에프와 협력해 만드는 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 배터리가 끊을 전망이다. LG에너지솔루션은 새해 세계 최초로 NCMA 배터리를 상용화한다. 이 배터리는 니켈 비중을 90%로 끌어올리고 알루미늄 첨가해 안정성을 강화한 것으로 테슬라 전기차에 탑재될 계획이다.
니켈 함량을 90%까지 끌어올린 건 LG에너지솔루션 NCMA 배터리가 최초다. 전기차 배터리에서 니켈은 핵심 소재다. 니켈 함유량을 얼마나 높이느냐에 따라 에너지 밀도가 결정돼서다. 니켈 함량이 높아지면 더 많은 양의 리튬이온이 쉽게 이동해 오가게 되고 이에 전기가 발생한다. 즉, 니켈 비중이 높은 배터리를 전기차에 탑재할수록 주행거리를 늘릴 수 있다.
그러나 니켈 비중을 늘리는 데는 고도의 기술력이 요구된다. 니켈 함량이 높을수록 많은 양의 리튬이온이 음극으로 이동하면 구조적으로 불안정해지는 문제가 발생한다. 특히 원료 합성, 수분 제어 등 기술 난도가 매우 높다는 평가다.
전기차 배터리는 한동안 기본 구조가 바뀌지 않은 채 주로 원료 함량만 높이는 쪽으로 발전돼왔고, 이마저도 일정 수준 한계가 있었다. 일례로 NCM622(니켈 60%·코발트 20%·망간 20%) 배터리에서 니켈 80% NCM 배터리 양산에 성공했지만 니켈 함량을 늘리는 데는 벽이 있었다.
때문에 LG에너지솔루션의 니켈 90% NCMA 배터리 상용화는 기존 배터리의 기술적 한계를 넘었다는 데 의미가 있다.
아울러 사원계 배터리 시대를 열었다는 점에서 주목되는 사례다. 기존 전기차 배터리는 니켈, 코발트, 망간을 중심으로 하는 삼원계가 대부분이었다. LG에너지솔루션은 니켈 함량을 끌어 올리는 동시에 고가 코발트 함량도 최저 수준인 5% 이하로 낮췄다.
여기에 알루미늄 함량을 높이며 배터리 제조 가격을 갖추고, 출력 성능은 강화했다. 알루미늄은 톤당 1500달러 수준으로 코발트에 비해 20배 저렴하다. NCMA 완성형 제품을 구현하는 데 성공한 것이다.
◇NCMA 배터리 확산 전망…하이니켈 개발도 빨라질 듯
니켈 90%의 하이니켈 배터리가 장착되면 전기차 주행거리가 현재보다 100㎞ 이상 늘어난 600㎞를 상회할 것으로 업계는 보고 있다. 서울에서 부산까지 직선거리가 약 300㎞인 점을 감안하면 1회 충전으로 부산을 왕복하고, 전국 어디나 갈 수 있는 셈이다.
이런 장점 때문에 배터리 업계는 니켈 함량을 높이는 데 연구개발을 집중했는데 NCMA가 첫 테이프를 끊으면서 NCMA 배터리의 채택 확대와 하이니켈 기술 경쟁이 가속화할 전망이다.
실제로 내년 하반기 테슬라 전기차에 이어 GM도 NCMA 배터리 탑재를 추진하고 있다. GM은 LG에너지솔루션과 미국에 배터리 합작사를 짓고 있는데, 이곳에서 NCMA 배터리를 생산해 자사 전기차에 탑재할 계획이다. 중대형 전기 픽업 트럭 하머 탑재가 추정된다. 당초 GM은 2022년 NCMA 배터리 탑재를 계획했다. 하지만 GM이 신차 출시를 앞당기면서 하이니켈 NCMA 배터리 장착도 서두르고 있는 것으로 보인다.
주행성능이 향상된 배터리 등장으로 다른 전기차와 배터리 업체들도 니켈 함량을 높이는 쪽으로 기술 개발에 속도를 낼 것으로 관측된다.
업계에 따르면 삼성SDI는 내년 니켈 80% 후반대 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리를, SK이노베이션은 2023년 니켈 90% NCM 배터리 양산에 돌입할 계획이다.
삼성SDI와 SK이노베이션이 니켈 80%~90%대 NCA, NCM 배터리를 개발, 탑재하는 건 처음이다. 니켈 함량을 높여 전기차 배터리 성능을 높이고 전기차 채택을 늘리려는 시도다.
삼성SDI의 NCA 배터리는 고순도 양극재가 적용된 배터리다. NCA 배터리 가운데 니켈 함량을 업계 최고 수준인 88%까지 높여 주행거리를 끌어 올리는 것이 목표다. 여기에 망간 대신 알루미늄을 첨가해 니켈을 올리면서 발생하는 안전성 문제를 해결했다. 삼성SDI는 NCA 배터리로 전기차 배터리 시장을 공략해 나간다.
SK이노베이션은 니켈 90% NCM구반반 배터리로 전기차 배터리 시장을 공략할 계획이다. SK이노베이션은 NCM811 배터리의 후속 모델인 NCM구반반 배터리로 최고 함량의 하이니켈 배터리 구현을 추진하고 있다.
김지웅기자 jw0316@etnews.com, 윤건일기자 benyun@etnews.com
