2차 전지 기술 탐구: 단결정 양극재의 개발 필요성

전기차 배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있는 '단결정' 구조의 양극재 양산을 두고 기업 간 경쟁이 본격화될 전망이다.

 

 

단결정 양극재가 필요한 이유

 

현재 상용화된 전기차에 적용된 배터리 양극재는 여러 개의 금속 소재가 모인 다결정 구조다. 현재 전기차용 양극재로 가장 많이 사용되는 NCM 계 양극물질을 예를 들어 설명하면 다결정 양극재는 니켈, 코발트, 망간의 여러 금속 입자가 작게 뭉쳐진 형태를 가지고 있는 것이다. 

 

그런데, 이러한 양극 물질을 일정 두께로 만드는 압연 공정 및 충ᆞ방전 과정에서 입자간 균열이 발생하기가 쉽다. 충전과 방전이 반복될수록 소재 사이의 균열이 생켜 틈이 커진다. 균열에 의한 소재의 파괴는 배터리 내 가스 발생을 증가시키고, 충ᆞ방전 주기를 감소시켜 수명 감소로 이어진다. 

 

반면, 단결정은 입자가 부서지지 않아 이런 문제가 없다. 또한, 용량을 증가시키기 위해 소재 내 니켈의 함량을 증가시킴에 따라 구조적 안정성이 낮아지고 화재 위험성이 높아지고 있어 이에 대한 해결책으로 단결정 양극재 개발 필요성이 커지고 있다.

 

 

단결정 양극재는 또한, 양극재 가공 비용을 낮추고 수율도 개선한다. 단결정 양극재는 잔해물이 없어 불량품 발생 확율을 낮추고 수세공정(Washing)을 거칠 필요가 없기 때문이다. 수세공정은 단극재 양극재를 만들 때 반드시 필요한 공정으로 물로 불순물을 제거하는 과정을 뜻한다.

 

단결정 양극재가 상용화되면 파우치형 배터리로의 하이니켈 양극재 적용도 확대될 전망이다. 또 가스 발생이 줄면 그만큼 수명이 증가하고, 더 많은 활물질로 내부를 채울 수 있어 에너지밀도를 높일 수 있다. 이를 전기차 배터리팩에 적용하면 적은 배터리 셀 개수만으로 500km 이상 1회 충전 주행거리를 달성하고, 롱레인지 모델 등 더 긴 주행거리를 갖춘 차량 라인업을 갖출 수 있게 된다. 원가 절감과 성능 향상이라는 두 마리를 토끼를 잡는 '게임 체인저'가 될 수 있는 이유다.

 

 

 

 

단결정 양극재의 기술적 challenge

 

하지만, 그간에 다결정 양극재 개발에 주력한 이유는 입자가 큰 단결정 소재는 초기 저항값이 높아 원하는대로 전압을 걸 수 없어서다. 이렇게 되면 제대로 된 출력이 나오지 않아 배터리 성능을 높일 수 없는 단점이 있기 때문이었다.

다만 추가 공정이 필요하고 작동 전압이 커서 배터리 온도가 상승할 수 있다. 양극과 음극을 만드는 전극공정의 일부인 롤프레스(압연) 과정에서 단결정 입자가 손상될 수 있다. 이 때문에 양산 초기에는 순수한 단결정이 아니라 다결정과 섞어서 생산이 이뤄질 것으로 보인다. 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재도 60~90% 사이의 니켈 소재를 섞어서 쓴다. 배합비율은 비공개다.

 

 

양극재 업체들의 움직임

 

양극재 업체들도 단결정 양극재를 먼저 양산하기 위한 경쟁이 치열하다. 에코프로비엠, 엘앤에프, LG화학이  '최초 양산' 타이틀을 놓고 경합을 벌이고 있다.

에코프로비엠은 지난해 하반기 단결정 양극재 개발을 끝마치고 고객사에서 품질 테스트를 진행하고 있다. 단결정 NCA(니켈·코발트·알루미늄), NCM(니켈·코발트·망간) 등이 대상이다. 업계가 예상하는 양산 시점으로는 이르면 올해 하반기가 될 전망이다.

엘앤에프는 이미 지난해 단결정 양극재 개발 및 품질 테스트를 위한 시양산에 돌입했다. 90% 이상 하이니켈 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 제품이 첫 양산 제품이 될 것으로 예상된다. 최종 고객사는 테슬라가 될 전망이며, 원통형 배터리부터 차츰 단결정 기술을 적용할 것으로 보인다.

 

예상 출하 시점은 에코프로비엠과 비슷한 올해 하반기며, 테슬라 직납의 경우 내년 중 양산이 확실시되고 있다. 최근 업데이트에 따르면, 시기가 약간 밀려서 내년 단결정 양극재 양산에 나선다고 한다. 회사 측은 양극재 업체 가운데 가장 빠르다고 주장한다.

 

엘앤에프의 제품은 10% 가량 단결정 양극재를 섞어서 공급할 계획이다. 단결정 양극재 비중은 배터리 셀 업체가 결정한다. 단계적으로 배합비율을 높일 것으로 보인다.

 

LG화학도 단결정 양극재 개발을 끝마쳤으며, 올해 하반기 중 상용화를 계획하고 있다.

이밖에 포스코케미칼, 코스모신소재도 개발을 진행하고 있는 것으로 알려졌다. 내부적으로는 개발이 끝났다는 소식이 들리고 있지만 명확한 상용화 시점은 불분명하다. 이들 기업은 양극재 분야 후발주자인 만큼, NCM 523·622 등 기존 배터리 제품 단에서의 양극재 적용부터 시작해 하이니켈 영역으로 단결정 기술 적용을 확대할 것으로 보인다.

다만 양산 시점, 순수 단결정 여부, 다결정 양극재와의 혼합 비율 등을 복합적으로 고려할 필요가 있다.

업계는 단결정을 만드는 것도 중요하지만, 내구성 확보를 위한 코팅 기술에서 성능과 품질이 판가름될 것으로 전망한다. 입자 크기를 키우면서 표면 처리를 어떻게 할 것인지가 핵심이다. 이 과정은 높은 온도의 소성(열로 서로 다른 물질을 섞는 작업) 공정이 필요하다. 온도가 높아지면 양극재 표면에 불량이 많이 나온다. 이를 얼마나 잘 제어하느냐가 관건이다.

 

 

출처: 디일렉, 디지탈 투데이, REOB, 에스엠랩, 엔지니어TV

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/86

2차전지 기술 탐구: 양극재 및 양극활물질

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=pIpWJ8xVy7g