배터리 관련 소식을 접하다 보면 NCM811, NCA와 같은 용어를 자주 볼 수 있습니다. 이들은 양극재의 주요 금속 성분으로 세 가지 원소를 사용하는 ‘삼원계 배터리’를 가리키는 명칭인데요. NCM과 NCA의 알파벳은 양극재를 구성하는 금속 원소를 나타내며, NCM811처럼 숫자가 함께 표기된 경우에는 각 원소의 상대적인 조성비를 의미합니다.
삼원계 배터리를 이해하려면 먼저 양극재에 따라 리튬이온배터리가 어떻게 구분되는지 살펴볼 필요가 있습니다. 이번 용어사전에서는 리튬이온배터리의 대표적인 종류를 짚어보고, 삼원계 배터리의 구성과 종류, 각각의 명칭이 의미하는 내용을 알아보겠습니다.
리튬이온배터리의 종류에는 어떤 것들이 있나요?
리튬이온배터리는 양극 활물질의 종류에 따라 LCO, LFP, NCM, NCA 등으로 구분할 수 있습니다. LCO는 리튬코발트산화물을, LFP는 리튬인산철을 양극 활물질로 사용하는 배터리입니다. 이중 NCM과 NCA는 세 종류의 금속 원소를 조합한 삼원계 배터리에 해당합니다.
양극재의 구성은 배터리의 용량과 출력, 수명, 열적 안정성, 안전성 등에 영향을 미칩니다. 따라서 배터리가 적용되는 분야와 요구 성능에 따라 서로 다른 양극재가 선택되죠.
삼원계 배터리는 어떻게 구성되나요?
리튬이온배터리는 충·방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 전기에너지를 저장하고 방출합니다. 다만 리튬은 반응성이 커서 단독으로 사용하기 어려운데요. 그래서 양극재에는 리튬이 다른 금속 원소 및 산소와 결합한 ‘리튬금속산화물(LiMO₂)’ 형태로 사용됩니다.
여기서 어떤 금속과 결합하느냐가 배터리의 종류를 가릅니다. 앞서 살펴본 LCO는 코발트 한 종류를 주요 금속 원소로 사용합니다. 반면 세 종류의 금속 원소를 조합한 것이 삼원계 양극재이고, 이를 적용한 리튬이온배터리를 삼원계 배터리라고 부릅니다.
대표적인 삼원계 양극재로는 니켈·코발트·망간을 조합한 NCM과, 니켈·코발트·알루미늄을 조합한 NCA가 있습니다. NCM과 NCA라는 알파벳 자체가 양극재를 구성하는 세 금속 원소의 머리글자인 셈이죠.
삼원계 배터리의 구성 원소는 어떤 역할을 하나요?
삼원계 배터리의 성능 특성은 양극재를 구성하는 금속 원소의 조합과 비율에 따라 달라집니다.
1)니켈: 양극재의 용량을 높여 배터리의 에너지 밀도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
2)코발트: 충·방전이 반복되는 과정에서 양극재의 구조를 안정적으로 유지합니다.
3)망간: 양극재의 구조적·열적 안전성을 보완해 배터리의 안정성을 높입니다.
4)알루미늄: 배터리 출력과 안전성에 관여합니다.
이처럼 원소마다 특성이 다르기 때문에, 어떤 원소를 조합하고 각 원소의 비율을 어떻게 설계하느냐에 따라 배터리의 용량과 출력, 수명, 안정성, 안전성이 달라집니다.
삼원계 배터리에는 어떤 종류가 있나요?
NCM과 NCA는 모두 니켈과 코발트를 사용합니다. 차이는 여기에 어떤 세 번째 원소를 조합하느냐에 있습니다.
니켈·코발트·망간을 조합한 NCM
NCM은 니켈, 코발트, 망간을 조합한 양극재입니다. 원소를 표기하는 순서에 따라 NMC라고 부르기도 하는데요. 세 원소의 비율을 조절해 용량과 출력, 수명, 안정성 등 여러 성능의 균형을 설계할 수 있어, 주로 전기차용 양극재로 쓰이고 있습니다.
NCM 뒤에 붙는 숫자는 일반적으로 니켈·코발트·망간의 상대적인 조성비를 나타냅니다. 예를 들어 NCM111은 세 원소의 비율이 1:1:1이며, NCM622는 6:2:2, NCM712는 7:1:2, NCM811은 8:1:1인 양극재를 의미합니다. 숫자의 변화에는 이유가 있습니다. 에너지 밀도를 높이는 니켈의 함량은 늘리고, 상대적으로 가격이 비싼 코발트의 함량은 줄이려는 흐름 속에서 NCM712, NCM811 같은 고니켈 양극재가 개발됐습니다.
니켈·코발트·알루미늄을 조합한 NCA
NCA는 니켈, 코발트, 알루미늄을 조합한 양극재입니다. NCM이 망간을 사용하는 것과 달리 NCA는 알루미늄을 사용한다는 차이가 있습니다.
세 원소의 비율은 배터리의 쓰임새에 맞게 구성되는데요. 기본적으로 니켈 함량이 높고 여기에 알루미늄이 더해져, 다른 양극 소재에 비해 에너지 밀도와 출력이 높은 특징을 가집니다. 이러한 특성 덕분에 NCA는 원통형 배터리 등 소형 전지에 주로 쓰이고 있습니다.
핵심 Q&A
Q. 리튬이온배터리에는 어떤 종류가 있나요?
리튬이온배터리는 양극 활물질의 종류에 따라 LCO, LFP, NCM, NCA 등으로 구분할 수 있습니다.
Q. 삼원계 배터리란 무엇인가요?
삼원계 배터리는 양극재에 세 종류의 금속 원소를 조합한 리튬이온배터리입니다. 대표적인 삼원계 배터리에는 NCM과 NCA가 있습니다.
Q. NCM과 NCA는 어떻게 다른가요?
NCM은 니켈·코발트·망간을, NCA는 니켈·코발트·알루미늄을 사용하는 삼원계 양극재입니다. 두 양극재에 사용되는 세 번째 금속 원소가 각각 망간과 알루미늄이라는 차이가 있습니다.
Q. NCM811의 숫자는 무엇을 의미하나요?
NCM811의 숫자는 양극재를 구성하는 니켈·코발트·망간의 상대적인 조성비를 나타냅니다. NCM811은 세 원소의 비율이 8:1:1이라는 의미입니다.
리튬이온배터리는 양극 활물질의 종류에 따라 서로 다른 특성을 나타냅니다. 그중 NCM과 NCA는 세 종류의 금속 원소를 조합한 삼원계 배터리로, 구성 원소와 배합 비율을 조절해 용량과 출력, 수명, 열적 안정성 등 여러 성능의 균형을 설계할 수 있습니다.
이제 NCM811이나 NCA 같은 용어를 접한다면 양극재에 어떤 금속 원소가 사용됐으며, 각 명칭과 숫자가 무엇을 의미하는지 이해할 수 있겠죠?
