배터리는 소재 하나만 달라져도 성능이 크게 달라집니다. 삼원계(NCM·NCA), 사원계(NCMA) 배터리 역시 이러한 흐름 속에서 발전해 온 대표적인 양극재로, 리튬코발트산화물(LCO)을 기반으로 니켈(Ni), 망가니즈(망간·Mn), 알루미늄(Al)을 조합해 성능을 개선해 왔죠.
배터리의 발전과 함께 고에너지, 고용량에 대한 니즈도 지속적으로 상승해왔습니다. 이 목표를 달성하기 위해, 배터리 업계 및 연구 관계자들은 니켈 비중을 높여 에너지 밀도를 끌어올리는 것에 주목하였죠. 이렇게 등장한 것이 바로 ‘하이니켈(High-Nickel) 배터리’입니다. 이번 전지전능한 전지이야기에서는 하이니켈 배터리에 대해 살펴보겠습니다!
하이니켈(High-Nickel) 배터리란?
양극재의 구성 원소 중 니켈은 배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양, 즉 에너지 밀도를 결정짓는 핵심 요소입니다. 때문에 양극재는 니켈의 비중에 따라 이름이 달라지는데요. 니켈의 함량 비율이 40~60% 구간에 속하면 미드니켈 배터리, 60% 이상이면 ‘하이니켈 배터리’로 분류합니다. 최근에는 니켈 함량 비율 90% 이상의 배터리까지도 개발되고 있죠. 니켈 비중이 높아지면 충·방전 과정에서 활용할 수 있는 가역 용량(Reversible Capacity)이 증가해 더 많은 에너지를 담을 수 있게 됩니다. 이 덕분에 하이니켈 배터리는 같은 부피에서도 더 긴 주행거리를 구현할 수 있는 전기차용 배터리로 각광받고 있죠.
하이니켈 배터리는 어떻게 등장했을까?
전기차 시장이 커지면서 고용량·고밀도 배터리에 대한 고객의 요구도 함께 높아졌습니다. 이를 충족하기 위한 가장 직접적인 접근법은 양극재에서 니켈 비중을 높여 에너지 밀도를 끌어올리는 것이었죠. 이 단순한 원리가 양극재의 발전을 이끌었지만, 처음부터 하이니켈 배터리가 존재했던 것은 아니었습니다.
초기의 리튬이온 배터리는 리튬코발트산화물(LCO), 리튬니켈산화물(LNO), 리튬망간산화물(LMO)처럼 단일 금속 기반 양극재가 주로 사용되었지만, 각각 용량·안전성·수명 면에서 한계가 있었습니다. 이를 개선하기 위해 니켈, 코발트, 망가니즈(망간), 알루미늄 등의 금속 간 조합을 활용한 삼원계 양극재(NCM, NCA), 사원계 양극재(NCMA)가 개발되었고, 이러한 형태의 양극재들이 바로 하이니켈 배터리로 발전할 수 있었던 기반이 되었습니다.
삼원계, 사원계 양극재는 리튬니켈산화물 계열과 동일한 층상(Layer) 구조*를 가져 구조적 안정성을 확보할 수 있었고, 여기서 원소 비율을 조절하면서 배터리의 성능과 원소 간 균형을 조절, 향상시킬 수 있었습니다. 이 과정에서 고용량 배터리를 위한 삼원계, 사원계 양극재는 니켈 함량을 높여가는 방향으로 진화했고, NCM712, NCM811 등이 등장하게 되었습니다.
하이니켈 배터리 상용화를 위한 기술적 고려 요소
하이니켈 양극재는 높은 용량을 활용할 수 있는 구조적 장점을 지니지만, 이러한 고용량 구조를 장기간 안정적으로 유지하기 위해서는 정교한 소재·구조 제어 기술이 함께 필요합니다.
먼저 고전압 영역에서의 리튬이온배터리에서는 H2–H3 상전이(Phase alteration)가 발생할 수 있습니다. 이는 리튬의 삽입·탈리 과정에서 구조가 급격하게 움직이는 현상인데요. H2-H3 상전이가 반복되면 입자 표면에 미세한 균열이 형성되거나 전해질 부반응이 발생할 수 있습니다.
또한 니켈과 리튬은 서로 이온 반경이 비슷해, 양이온 혼입이 일어날 가능성이 있는데요. 이 경우, 리튬의 이동 경로가 방해를 받아 방전 속도나 용량 특성이 달라질 수 있습니다. 아울러 충∙방전이 일어날수록 니켈의 산화 상태 변화에 따라 입자 표면이 층상 구조에서 스피넬이나 암염 구조로 전이되는 경향도 나타날 수 있습니다. 이는 장기적인 관점에서, 배터리의 열 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.
이러한 구조적 변화를 안정적으로 제어하기 위해서는 소재 단계에서부터 구조를 견고하게 만드는 다양한 기술이 함께 적용됩니다. 그중 벌크 도핑(Bulk Doping)1 은 격자 내 일부 금속 원자를 도펀트(Dopant)2로 치환해 금속–산소 결합을 강화하고, 니켈과 리튬의 이온 혼입이나 고전압에서 나타나는 구조 전이를 완화하여 결정 구조 자체의 안정성을 높이는 역할을 합니다. 도핑된 격자는 리튬 확산 경로를 보다 안정적으로 유지시켜 충·방전 과정에서 발생할 수 있는 응력 집중과 미세균열 형성을 줄이는 데도 도움을 줍니다.
또 다른 방식은 표면 코팅인데요. 이는 입자 표면에서 일어나는 부반응과 산소 손실을 억제해 구조 변화를 완만하게 만들고, 표면 구조가 스피넬이나 암염 구조로 전이되는 것을 억제하는 역할을 합니다. 코팅층은 전해질과의 반응성을 줄이고, 미세균열을 방지해 보다 안정적으로 유지시킵니다. 이를 통해 리튬 이온의 이동도 보다 원활해지고, 장기적인 수명 특성에도 긍정적인 영향을 줍니다.
마지막으로 전구체 합성 기술이 적용되기도 하는데요. 양극재 입자의 크기와 모양을 균일하게 만드는 과정으로, 전구체는 충·방전 과정에서 불필요한 응력이 한곳에 몰리는 것을 줄여줘 미세균열이나 입자 파손이 나타나는 것을 완화해 줍니다.
LG에너지솔루션 하이니켈 배터리 개발 전략
LG에너지솔루션은 고객의 다양한 니즈를 충족하는 것을 넘어서 선제적으로 대응하기 위해 포트폴리오를 확장하고 있습니다. LG에너지솔루션은 전기차 배터리를 Premium, Standard, Affordable 세그먼트로 나눠 각 영역에 맞는 배터리를 개발하고 있는데요. 그 중 Premium 라인은 주행거리, 출력, 급속 충전 성능을 극대화하는 전략을 추구하며, 이를 뒷받침하는 핵심 소재가 바로 하이니켈 NCMA입니다.
여기서 그치지 않고 LG에너지솔루션은 하이니켈 NCMA 성능을 한층 더 끌어올리기 위해 단입자(Single-crystal) 기술을 고도화하고 있습니다. 초기에는 2차 입자 형태의 하이니켈 NCMA을 사용하였지만, 현재는 단입자(Single-crystal) 기술을 통해 반응성을 정교하게 제어하고 있습니다. 특히 과거에는 소입경 위주의 단입자만 개발되었지만, 현재는 중입경 단입자까지 개발 범위를 확대해 전극의 단위체적당의 밀도(Packing Density)를 높이고, 셀의 에너지 밀도 향상까지 가능해졌습니다.
또한 LG에너지솔루션은 하이니켈 NCMA의 안정성을 높이기 위해 멀티 도핑, 표면 코팅, 균일 코팅 공정 기술 등 여러 소재와 공정 기술을 병행해 최적화하고 있습니다. 이러한 기술적 축적은 더 높은 니켈 함량을 실현할 수 있는 기반이 되며, 결과적으로 에너지 밀도와 주행거리 향상, 그리고 주행거리 대비 총비용(TCO) 절감이라는 고객 가치로 이어질 것으로 기대하고 있습니다 .
지금까지 하이니켈 배터리에 대해 살펴보았습니다. LG에너지솔루션은 더 많은 에너지를 담은 고성능 배터리를 만들기 위해 하이니켈 배터리를 지속적으로 발전시키고 있는데요. 앞으로도 다양한 배터리 소재 기술 혁신을 통해, 안전성과 성능을 강화한 배터리 기술 연구를 이어 나가겠습니다.
