리튬이온배터리는 크게 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 구성되어 있습니다. 여기서 ‘양극재’는 배터리 성능에 영향을 미치는 핵심 요소로, 원자재 조합에 따라 다양한 종류가 존재하는데요. 그중 ‘NCM 양극재’에 대해 인포그래픽을 통해 재미있고 쉽게 알아보겠습니다.
배터리 용량과 전압을 결정하는 ‘양극재’
리튬이온배터리의 전기에너지는 양극재와 음극재 사이를 이동하는 리튬이온의 화학적 반응을 통해 만들어집니다. 양극에서 나온 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동하면 배터리가 충전되고, 음극에 있는 리튬이온이 다시 양극으로 이동하면 외부 회로를 통해 전류를 생성하면서 방전되는 원리입니다. 여기에서 ‘양극재’는 배터리의 용량과 전압을 결정하는 중요한 구성요소입니다.
세 개의 양극재를 조합한 ‘삼원계 배터리’
리튬이온배터리의 양극재로 주로 쓰이는 리튬금속산화물*로는 리튬코발트산화물(LCO)이 있습니다. 이 화합물은 리튬과 코발트, 산소로 구성되어 있습니다. 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 함께 다른 금속 원소가 더해져, 총 세 개의 원소가 양극재를 이루면 이를 ‘삼원계 배터리’라고 합니다. 대표적인 삼원계 배터리로는 NCM과 NCA가 있습니다.
*리튬금속산화물(LiMO2) : 불안정한 원소 상태의 리튬은 다른 금속 원소들과 결합한 ‘리튬금속산화물’ 형태로 존재함
높은 에너지 밀도의 ‘NCM 양극재’
NCM(LNCMO)은 리튬코발트산화물(LCO)에 니켈(Ni)과 망가니즈(Mn)가 결합된 양극재입니다. 니켈, 코발트, 망가니즈가 다양한 비율로 구성되어 있고, 주로 전기차 배터리의 양극재로 많이 사용됩니다.
배터리 양극재의 핵심 소재로 주목받고 있는 ‘니켈(Ni)’그 비중이 커질수록 배터리의 에너지 밀도가 높아지는 특징이 있습니다. 이에 따라 전기차 1회 충전 시 주행거리도 함께 증가합니다.
‘코발트(Co)’는 양극재의 부식을 막고, 안정성을 높이는 중요한 역할을 합니다. 배터리 제조 원가의 20%를 차지하고, 희귀한 원소로 ‘하얀 석유’라고 불리기도 합니다.
최근에는 급등하는 원자재 가격에 대응하기 위해 니켈의 함량을 더 높이고, 값비싼 코발트 사용을 줄인 리튬이온배터리를 개발하고 있습니다. 보통 60% 이상의 니켈 비율을 가진 배터리를 ‘하이니켈’이라 부릅니다.
마지막으로 ‘망가니즈(Mn)’는 배터리의 안정성을 높이는데 기여하고 있습니다.
지금까지 인포그래픽을 통해 NCM 양극재의 구성과 특징을 한눈에 살펴보았는데요. 다음에는 또 다른 삼원계 배터리의 양극재인 ‘NCA’에 대해 알아보겠습니다.