배터리 용어사전 – 삼원계 배터리

배터리 관련 소식을 접하다 보면 NCM711, NCM811, NCA 등 알파벳과 숫자로 나열된 수수께끼 같은 단어들을 심심치 않게 볼 수 있는데요. 마치 암호처럼 느껴지는 이 배터리 용어들은 과연 무엇을 의미하는 걸까요?

삼원계 배터리란?

리튬이온배터리는 리튬 이온이 양극재와 음극재 사이를 이동하는 화학적 반응을 통해 전기를 만들어냅니다. 양극 소재로 사용되는 리튬은 단독으로 사용하기엔 불안정한 특성이 있기 때문에 다른 금속 원소들과 결합한 형태인 ‘리튬금속산화물(LiMO2)’로 존재하게 되는데요. 양극재로 주로 쓰이는 ‘리튬코발트산화물(LCO)’을 기본으로 니켈과 다른 원소가 더해져, 양극재에 총 세 가지 원소가 들어가는 배터리를 ‘삼원계 배터리’라고 부릅니다.

삼원계 배터리의 이해

삼원계 배터리를 이해하기 위해서는 먼저, 양극재에 쓰이는 금속 원소의 특성을 알아야 합니다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도에, 코발트와 망간은 배터리의 안전성에, 알루미늄은 배터리의 출력에 관여합니다. 이처럼 양극재에 들어가는 원소들은 각기 다른 특성을 가지고 있는데요. 양극재를 어떤 원소로 조합하느냐에 따라 배터리의 성능이 달라지게 되는 것이죠.

삼원계 배터리의 종류

대표적인 삼원계 배터리로는 ‘NCM’와 ‘NCA’가 있습니다. 먼저, NCM의 정확한 표기법은 ‘LNCMO’입니다. 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈(Ni)과 망간(Mn)이 결합되어 있는 것으로, 편의상 NCM이라고 부르는 것이죠. NCM은 니켈, 코발트, 망간이 1:1:1 비율로 균일하게 구성되어 있어 현재 가장 많이 사용되고 있으며, 주로 전기차의 양극재로 쓰이고 있습니다. 한편 치솟는 원자재의 가격 변동에 대응할 수 있도록 에너지 밀도를 증가시키는 니켈의 함량을 더 높이고, 가격이 비싼 코발트의 함량은 줄인 ‘NCM712’, ‘NCM811’등이 개발되기도 했습니다.

NCA 역시 리튬코발트산화물인 LCO에 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)이 결합된 양극재입니다. NCA의 니켈, 코발트, 알루미늄의 구성 비율은 8:1:1이며 기본적으로 니켈 함량이 높고, 알루미늄이 포함되어 있어 다른 양극 소재에 비해 에너지 밀도와 출력이 높은 특징을 가지고 있죠. 이러한 이유로 NCA는 원통형 배터리 등의 소형 전지에 주로 쓰이고 있습니다.

배터리에서 양극재는 배터리 성능과 용량에 많은 영향을 끼치기 때문에, 배터리 제조사들은 양극재 개발에 큰 비중을 두고 있습니다. 이제 뉴스에서 NCM, NCM 811, NCA 등의 용어를 접하더라도 어떤 원소가 들어갔는지, 어떤 비율로 들어갔는지 바로 이해하실 수 있겠죠?