단결정 하이니켈 양극재의 필요성, 개발 방향과 국내 하이니켈 양극재 기업(에코프로,엘앤에프,포스코)

 

양극재는 배터리 원가의 30-40%를 차지하고 전기자동차의 주행거리, 충방전 성능, 출력에 영향을 주는 핵심 소재입니다.

배터리의 성능에 영향을 주는 양극재는 구성 원료에 따라 그 특성이 달라집니다. 

그중에서도 Ni니켈은 전기차배터리 양극재에서 에너지 밀도에 영향을 미치고 주행거리를 좌우하는 핵심 원재료입니다.

또한 니켈을 사용하면 용량 및 출력이 센 장점도 있습니다. 가격적인 측면에서도 코발트 대비 저렴하기 때문에 니켈이 배터리 셀 제조사들을 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재를 사용하게 된 것입니다.

참고로 코발트는 양극재의 부식을 막고 안정성, 망간은 배터리 안정성을, 알루미늄은 배터리 출력을 높이는데 기여합니다.

니켈, 코발트, 망간

전기차 시장의 성장으로 고성능 배터리 수요 증가에 따라 Ni 니켈 함량을 80% 이상으로 높인 하이니켈 High-Ni 배터리를 탑재하는 배터리 셀이 증가하고 잇습니다. 또한 국내 배터리 주요 제조사들은 니켈 함량을 90% 가까이 끌어올려 울트라 하이니켈 양극재까지 개발하고 있습니다.

자료 : 연합뉴스, SNE리서치

하이니켈 배터리란?

니켈 함량을 80%-90%까지 높인 배터리를 하이니켈 배터리라고 합니다.

동일 부피, 동일 무게 대비 에너지 밀도가 높을수록 전기자동차의 주행가능거리가 늘어나기 때문에 

배터리 제조사들을 에너지밀도를 높이는 설계 및 공법 개발에 힘쓰고 있습니다.

 

니켈 90% 하이니켈 배터리는 1회 충전 시, 약 600km 이상 주행이 가능하고, 이는 장거리 운행 시 왕복이 가능케 합니다.

즉, 주행거리상 장점으로 배터리 업계는 NCMA배터리 및 하이니켈 배터리 개발을 가속화하고 있습니다.

그렇지만, 니켈 함량이 높을수록 Li이온의 충방전(삽입/탈리) 과정에서 구조적 불안정을 야기하기 때문에 배터리 수명 특성이 떨어지게 됩니다. 따라서, 장수명 특성을 확보할 수 있는 하이니켈 배터리 양산하는 것이 중요합니다.

 

이 밖에도 하이니켈 양극재는 양극재 원료 중 가격변동성이 크고 비싼 Co(코발트)를 그만큼 줄일 수 있기 때문에

원가결쟁력에도 도움이 된다고 할 수 있습니다.

 

울트라 하이니켈

울트라 하이니켈은 Ni니켈 함량을 90% 이상으로 높인 배터리입니다. 이에따라 Co(코발트)와 Mn(망간) 비중이 줄어들게 되어 안정성 측면에서는 불리하지만 에너지밀도를 최대한으로 높일 수 있습니다. NCMA 양극재 기준으로 코발트 항량을 0.1~0.2%까지 낮아지게 되어 코발트프리(free)라고 부르기도 합니다. 이러한 울트라 하이니켈 배터리를 탑재 시 동일 성능에서 더 적은 배터리를 탑재할 수 있어 가격 경쟁력을 높일 수 있습니다.

양극재 종류별 비에너지 및 가격

다만 울트라 하이니켈 배터리의 안정성을 높이기 위해서는 단결정 양극재 적용이 필수입니다.

Ni 함량을 높이고 안정성과 관련된 Co코발트, Mn망간의 량을 낮춘 만큼 이를 안정적인 양극재가 필요하기 때문입니다.

단결정 양극재

다결정(다입자) : 금속 입자들을 작게 뭉쳐 만든 구조로 충전방전 시 입자들 사이 틈이 벌어지고 가스가 발생해 사이클 특성이 좋지 않은 단점이 있습니다. 이에 반해 단결정(단입자) 양극재는 니켈, 코발트, 망간 등 금속을 하나의 입자형상으로 만든 소재입니다. 구조적으로 안정적이기 때문에 입자 깨짐이 적고 그에 따라 충방전 시 가스발생이 적어 배터리 수명이 30% 이상 늘어납니다. 이뿐만 아니라 단결정(단입자) 양극재는 기존 다결정(다입자) 양극재에 비해 밀도를 더 높일 수 있어 배터리 용량(주행거리)도 10% 이상 늘릴 수 있는 장점이 있습니다.

전기자동차 주행거리와 에너지밀도

하이니켈 양극재 국내 주요 공급사

에코프로비엠

2013년 하이니켈 양극재 중심 사업 재편 이후 NCA 시장점유율을 높여왔고 스미모토금속광산에 이어 세계 2위 마켓쉐어를 갖고 있습니다. 16년 하이니켈계 양극재를 가장 먼저 개발, 양산화에 성공하여 국내 및 세계 양극재 시장을 선도하고 있습니다.

 

엘앤에프

앨앤에프는 NCM, NCA 하이니켈계 양극재를 세계 최초로 개발한 업체입니다.

하이니켈 밖에도 단결절 NCMA, 고전압양극재, 리튬인산철LFP 양극재 등 다양한 제품을 개발하고 있습니다.

니켈 90%이상 하이니켈 제품 양산이 가능한 업체는 엘앤에프가 유일하다고 합니다. 또한 단결정 기술을 활용한 고전압 미드니켈 NCMA622 양산도 준비하고 있습니다.

 

포스코퓨처엠

전남 광양 공장에 하이니켈 NCA 양극재 공장 추가 착공 계획을 발표했습니다.

앞서 23년 4월 포항공장 착공에 이은 하이니켈 추가 투자 건으로 내년 상반기 착공 예정입니다.

준공 목표는 25년 하반기를 목표로 연산 5만2500톤 규모 생산능력을 확보할 예정입니다.

포항 공장의 경우 3920억원을 투자해 연산 3만톤 규모의 생산능력을 계획되어 있습니다.

 

포스코퓨처엠은 앞서 LG에너지솔루션, 삼성SDI 등 셀 업체로부터 106조원에 수주잔고를 확보하였습니다.

이에 대한 CAPA 증설 움직임이라고 할 수 있습니다.