‘세분화된 소비자의 니즈’, ‘전기차 배터리에 대한 안전 규제 강화’라는 글로벌 전기차 트렌드에 따라, 새로운 배터리에 대한 요구가 뚜렷해지고 있습니다. 이로 인해 배터리의 ‘원가 절감’과 ‘안전성 향상’은 현재 전기차용 배터리 연구에서 가장 중요한 과제로 등장하였습니다.
이번 시간에는 가격과 안전성 조건을 모두 만족할 배터리로 주목받고 있는 고전압 미드니켈 배터리에 대해 알아보겠습니다.
미드니켈 배터리란?
NCM(LNCMO) 삼원계 배터리*는 니켈, 코발트, 망간이 다양한 비율로 구성되어 현재 가장 많이 사용되고 있는 배터리 중 하나인데요. 미드니켈 배터리는 이 NCM을 양극재로 사용하는 배터리 중, 니켈(Ni)의 함량 비율이 ‘40~60%’ 구간에 속하는 배터리를 말합니다. NCM 배터리 중 니켈 함량이 60~90%일 경우는 ‘하이니켈 배터리’라고 지칭하죠.
LG에너지솔루션은 전기차를 3가지 세그먼트(Premium, Standard, Affordable)로 분류하고, 가격/충전시간/주행거리 등 다양한 기준을 적용하여 각 세그먼트에 적합한 배터리를 개발하고 있습니다. 미드니켈 배터리는 Standard 라인에 탑재되는 대표적인 제품인데요. 전체 전기차 시장에서 Standard 라인 제품의 비중이 높은 만큼, 미드니켈 배터리의 중요도도 상승하고 있습니다. 미드니켈 배터리는 니켈의 비율을 낮추는 대신 안전성에 관여하는 코발트·망간의 비율을 높여, 가격경쟁력과 함께 탄탄한 안전성을 갖추고 있습니다.
한층 업그레이드된, 고전압 미드니켈 배터리의 특징
현재 연구 중인 미드니켈 배터리는 ‘고전압 미드니켈 배터리’로, 과거 하이니켈 배터리 등장 이전의 미드니켈 배터리와는 큰 차이가 있습니다. 고전압 미드니켈 배터리는 니켈 함량 50~60%에 망간 함량을 높여 안전성을 높이고, 그로 인해 상대적으로 낮아진 에너지 용량은 고전압을 통해 극복했는데요. 이를 통해 에너지 밀도* 측면에서 상당한 이점을 갖게 되었습니다.
*에너지 밀도 = 전압 x 용량(전류 x 시간) / 무게. 고전압 미드니켈 배터리는 니켈 함량 감소로 낮아진 용량을 높은 전압을 통해 보완함.
안전성과 함께 갖춘 또 다른 경쟁력은 ‘가격’입니다. 미드니켈 배터리는 값비싼 니켈과 코발트 함량 비율을 낮추고 저렴한 망간 비율을 늘렸기에 제조 원가를 절감할 수 있습니다. 아울러 미드니켈 배터리에는 수산화리튬이 아닌 ‘탄산리튬’을 사용할 수 있어 추가적인 가격 경쟁력 확보가 기대되는데요. 니켈은 높은 온도에서 리튬과 합성이 쉽지 않습니다. 그래서 니켈 함량이 높을 경우, 탄산리튬보다 녹는점이 낮은 수산화리튬이 사용되는데요. 미드니켈 배터리에는 수산화리튬 보다 저렴한 탄산리튬 을 사용할 수 있습니다.
고전압 미드니켈 배터리의 솔루션, 단결정 양극재
LG에너지솔루션에서는 더 높은 완성도의 고전압 미드니켈 배터리 구현을 위해 여러 가지 연구가 진행되고 있습니다. 특히 고전압을 구현할 경우 에너지 밀도를 높일 수 있으나, 소재에 균열이 발생하고 그로 인해 수명이 단축될 수 있는 가능성이 존재하는데요.
이를 해결하기 위해 ‘단결정(Single-Crystal Cathodes) 양극재’ 기술이 연구되고 있습니다. 단결정 양극재란 현재 주로 활용되는 다결정 양극재와 달리, 소재 단위 입자가 하나의 결정 형태를 이루고 있는 것을 의미합니다. 리튬이온배터리의 양극재로 사용되는 니켈, 코발트, 망간 등의 금속 소재를 하나의 입자 형상(One body)로 만드는 것이죠. 반면 다결정(Poly-Crystal Cathodes) 양극재는 여러 개의 결정이 입자를 이루는 것을 의미합니다.
단결정 양극재 기술은 하나의 입자 단위로 구성되어, 높은 압력에서도 균열이 적다는 장점이 있습니다. 덕분에 고전압 미드니켈 배터리의 높은 전압을 견딜 수 있죠. 또한 단결정 양극재 기술을 적용하면 다결정 양극재 대비 에너지 용량을 약 10%, 수명을 30%가량 향상시킬 수 있다는 연구 결과도 있습니다.
LG에너지솔루션 역시 높은 품질의 고전압 미드니켈 배터리를 생산하기 위해 단결정 양극재 기술을 적용함과 동시에, 코팅을 통해 활물질 반응을 최대한 제어하고 있습니다.
2024 인터배터리 어워즈 올해 최고 혁신상, <LG에너지솔루션 미드니켈 퓨어 NCM>
한편, 지난 3월 서울 코엑스에서 개최된 2024 인터배터리 어워즈에서 LG에너지솔루션의 ‘미드니켈 Pure NCM’ 배터리가 올해 최고 혁신상을 수상하였습니다. LG에너지솔루션이 선보인 미드니켈 Pure NCM은 고전압에서 구동 가능한 미드니켈 ‘NCM613’ 소재를 탑재한 노트북용 배터리인데요.
‘NCM613’은 고전압 미드니켈 배터리의 대표적인 모델로, 니켈 비율 60%, 코발트 비율 10%, 망 간 비율 30%로 구성되어 있습니다. 앞서 소개한 단결정 양극 소재를 활용하여, 고전압 환경에서의 내구성을 확보했죠. 이를 통해 LG에너지솔루션의 배터리 라인업 다각화가 더욱 기대되는 모습입니다.
LG에너지솔루션의 고전압 미드니켈 배터리 로드맵은?
LG에너지솔루션은 글로벌 전기차 시장 흐름에 선도적으로 대응하기 위해, 2025년 내 고전압 미드니켈 NCM 배터리의 양산을 목표로 하고 있습니다. 이때 배터리 스펙은 에너지 밀도 670Wh/L 및 하이니켈 배터리 대비 셀 안정성은 30% 이상, 가격은 약 8% 절감을 달성할 것으로 예상됩니다. 추가적인 연구를 통해 다음 세대 배터리에서 세부 스펙을 끌어올릴 목표도 수립했죠.
지금까지 고전압 미드니켈 배터리가 가지는 특징과 LG에너지솔루션의 PLAN을 함께 살펴보았습니다. LG에너지솔루션의 차별화된 배터리 기술로 머지않은 미래에 곧 만나게 될 고전압 미드니켈 배터리. 배터리 시장에 새로운 돌풍을 일으키고, 미래 시장을 주도할 LG에너지솔루션의 끊임없는 연구와 지속적인 노력을 함께 지켜봐 주세요!