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TECHNOLOGY
힘 세고 오래가는 배터리의 근원! 양극 소재
2020.09.17
[양극의 구성]
배터리의 특성을 이야기할 때 가장 먼저 언급되는 것 중의 하나가 바로 ‘용량’과 ‘출력’ 인데, 이 특성을 결정하는 주 소재가 바로 양극 소재입니다.
양극은 얇은 알루미늄 기재와 활물질, 도전재, 바인더로 구성됩니다. 리튬산화물로 구성된 활물질에 소량의 도전재를 넣어 전도성을 높이고, 바인더를 넣어 이들이 잘 붙을 수 있게 돕는 것을 ‘합제’라고 하는데, 이 합제를 얇은 알루미늄기재 양쪽에 바르면 양극이 만들어집니다.
양극의 특성을 나타내는 것은 활물질로, 활물질에 따라 저장되는 전자(electron)의 수가 달라지기 때문에 배터리의 용량과 전압도 달라집니다. 리튬과 산소 그리고 다른 물질이 만나 무수한 활물질이 탄생할 수 있지만, 현재 배터리로서 적합한 성능을 내는 양극 활물질은 크게 5가지입니다.
[양극 활물질 종류와 장단점]
양극 활물질은 리튬과 금속 성분의 조합으로 구성되는데, Ni(니켈)은 고용량, Mn(망간)과 Co(코발트)는 안전성, AI(알루미늄)은 출력 특성을 향상시키는 등 금속의 종류와 비율에 따라 서로 다른 특성을 갖습니다.
삼성SDI , '하이니켈(High-Ni)' 기술로 전기자동차 시장 선도
현재 전기자동차용 배터리의 양극 소재로는 주로 NCA, NCM, LFP 등이 사용되고 있으며, 이 중에서도 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 Ni(니켈) 함량을 높인 하이니켈(High-Ni) 양극 소재의 개발이 주목받고 있습니다.
배터리의 에너지밀도가 높다는 것은 곧 동일한 용량의 배터리를 더 적은 무게와 작은 부피로 전기자동차에 탑재할 수 있다는 의미합니다. 이것은 전기자동차의 핵심과제 중 하나인 ‘주행거리 확대’를 고려할 때 매우 중요한 조건이 됩니다.
또한 니켈 함량이 80% 이상인 '하이니켈(High-Ni)' 양극 소재는 가격변동성이 크고 가격이 높은 Co(코발트)를 대체할 수 있기 때문에 원가경쟁력도 갖출 수 있습니다.
[ 최근 한 달 동안의 니켈과 코발트 가격 (출처: The London Metal Exchange) ]
현재 다수의 배터리 업체들이 대부분 NCM 개발에 주력하고 있는 반면 삼성SDI는 NCA, NCM 양극 소재를 중심으로 제품 개발을 진행하고 있습니다. 특히 NCA의 경우 NCM에 비해서도 원료 합성 및 수분 제어에 대한 난도가 높아 쉽게 진입하기 어려운 기술로 알려져 있습니다.
NCA는 NCM, LMO 등 타 소재 대비 출력과 에너지밀도가 높은 특성이 있어 소형배터리 시장의 전동공구용 제품에 주로 사용되고 있는데, 이 분야에서 삼성SDI가 압도적인 점유율로 글로벌 시장을 리딩하고 있는 이유도 뛰어난 NCA 기술 때문입니다.
삼성SDI의 독자적인 기술력을 바탕으로 한 NCA 소재는 기존 양극 소재 대비 고용량과 안전성이 확보된 배터리 성능을 자랑합니다.
삼성SDI는 이렇게 차별화된 NCA 기술력을 바탕으로 지난 2015년, 니켈 함량 88% 이상의 하이니켈(High-Ni) NCA 양극 소재를 전동공구용 원형배터리에 적용하며 성능과 양산성을 이미 검증한 바 있으며, 차세대 Gen.5 전기자동차용 배터리에도 니켈 88%의 하이니켈 NCA 양극 소재가 적용됩니다.
더 나아가 삼성SDI는 니켈 88% 함량 뿐 아니라 더욱 고함량의 니켈이 들어가는 더욱 안전한 하이니켈 NCA 양극 소재 개발을 지속하여 리튬이온 배터리의 에너지밀도 향상을 선도해 나가겠습니다.
