양극재는 리튬이 들어갈 수 있는 공간이며, 배터리 성능 중 용량과 전압을 결정짓고 안전성과 가격에 영향을 미치는 핵심 소재입니다. 다양한 산업에서 배터리의 중요성이 높아지면서 고성능의 배터리를 만들기 위해 여러 원소를 조합한 양극재가 개발됐는데요. 그중 대표적으로 NCM, NCA, NCMA 양극재를 꼽을 수 있습니다. 이번 시간에는 인포그래픽을 통해 배터리 각 양극재의 특징을 살펴보겠습니다.
양극재 구성 원소에 따라 구분되는 삼원계 배터리&사원계 배터리
리튬이온배터리의 양극 활물질은 리튬금속산화물 중에서도 리튬코발트산화물(LCO)이 가장 기본이 됩니다. 리튬코발트산화물은 리튬, 코발트, 산소로 구성되어 있는데요. 이러한 기존 원소의 비율을 조정하거나 다른 금속 원소를 첨가하는 방식으로 양극재가 개발되어 왔습니다.
이에 리튬코발트산화물을 기반으로 총 3개의 원소를 추가한 것은 ‘삼원계 배터리’이고, 총 4개의 원소를 조합한 것을 ‘사원계 배터리’라고 부릅니다. 삼원계 배터리는 대표적으로 NCM, NCA 양극재로 나뉩니다. 사원계 배터리로는 NCMA 양극재가 있습니다.
원소 비율 조합이 다양한 ‘NCM 양극재’
NCM양극재는 리튬코발트산화물에 니켈(Ni)과 망가니즈(Mn)를 더한 양극재입니다. NCM 양극재는 NCM111, NCM523, NCM622, NCM811 등으로 구분되는데요. 각 숫자들은 니켈, 코발트, 망가니즈 순으로 조합 비율을 의미합니다. 이처럼 배터리의 쓰임에 따라 니켈, 코발트, 망가니즈의 적절한 비율로 조합돼 제조되고 있죠.
NCM을 구성하는 원소들은 각기 다른 특성을 지니며, 이를 통해 배터리 성능을 향상시킵니다. 먼저 니켈은 에너지 밀도를 높이는 역할을 합니다. 니켈의 비중이 커질수록 에너지 밀도가 높아지며, 전기차 1회 충전 시 주행거리가 늘어나게 되죠. 코발트는 양극재의 부식을 막고, 안전성을 높여줍니다. 마지막으로 망가니즈도 배터리의 안전성을 높이는 역할을 합니다.
NCM 양극재가 적용된 배터리는 현재 가장 널리 사용되는 배터리 중 하나로, 주로 전기차에 활용됩니다. 기존 배터리보다 출력이 높고 배터리 효율성이 뛰어날 수 있기 때문인데요. 특히 니켈이 에너지 밀도를 높이는 핵심 역할을 합니다.
최근에는 성능을 높이고 제조 비용 절감하기 위해 니켈 함량을 늘리거나, 값비싼 코발트의 비율을 줄이는 방향의 연구가 진행되고 있는데요. 이와 관련해 NCM 양극재를 사용하는 배터리 중 니켈(Ni)의 함량 비율이 40~60%인 ‘미드니켈 배터리’와 니켈 함량이 60~90%인 ‘하이니켈 배터리’가 연구되고 있습니다.
특히 미드니켈 배터리는 ‘고전압 미드니켈 배터리’의 방향으로 개발이 이뤄집니다. 이는 니켈 함량이 50~60%에 망가니즈 함량을 높여 안전성을 확보하고, 상대적으로 낮아진 에너지 용량을 고전압 기술로 에너진 밀도를 보완했습니다.
기본적으로 니켈 비율이 높은 ‘NCA 양극재’
NCA는 리튬코발트산화물을 기반으로 니켈, 코발트, 알루미늄(Al) 원소를 조합한 양극재입니다. NCA 역시 세 가지 원소로 구성되며, NCM과 같이 삼원계 배터리로 불립니다. NCA의 주요 원소 중 니켈은 에너지 밀도를 높이고, 코발트는 배터리의 안정성을 향상시키며, 알루미늄은 배터리 출력과 안전성을 강화시킵니다. 이러한 특징으로 NCA는 주로 소형 배터리 시장의 전동 공구용으로 사용됩니다.
NCM과 NCA의 장점만 모은 ‘NCMA 양극재’
NCMA 양극재는 총 4개의 금속 원소로 이뤄진 사원계 배터리입니다. 니켈, 코발트, 망가니즈로 구성된 NCM 양극재에 알루미늄을 추가한 조합입니다.
원소 구성에서도 알 수 있듯이 NCMA 양극재는 NCM과 NCA의 장점을 결합한 양극재입니다. 니켈의 비중을 높이고, 원가가 높은 코발트 함량이 줄어들며 제조 비용을 절감할 수 있습니다. 여기에 알루미늄을 통해 우수한 안전성도 확보할 수 있습니다. 아울러 NCMA 양극재는 원형, 각형, 파우치형 등 다양한 폼펙터에 적용할 수 있어 활용 범위가 매우 넓다는 장점도 있죠.
그 결과 NCMA 양극재는 주로 고성능 전기차 배터리의 양극재로 쓰입니다. NCMA가 전기차의 주행거리와 출력을 향상시키며, 배터리 안전성까지 개선할 수 있기 때문에 더욱 주목받고 있습니다.
인포그래픽을 통해 양극재 NCM, NCA, NCMA를 살펴봤습니다. 이제 양극재 이름만 보고도 어떤 특징이 있고, 어떤 배터리에 쓰이는지 쉽게 파악할 수 있겠죠?
다음 시간에는 인포그래픽을 통해 실리콘 음극재의 종류에 대해 보다 자세히 살펴보겠습니다!