전기차에 필수적인..NCM배터리 vs, LFP배터리, 과연 장·단점은?

왜 ‘리튬이온 배터리’라고 불릴까? 리튬이 아닌 리튬금속산화물이다!

리튬이온 배터리는 리튬메탈 자체가 아닌, 리튬과 산소가 결합한 리튬금속산화물을 양극 소재로 사용합니다. 즉, 이온(전기적으로 중성인 원자가 전자를 잃거나 얻은 상태)의 형태로 전기에너지 생성에 관여하는 것입니다. 충전할 때는 리튬이온과 전자가 음극으로 이동하고 방전할 때는 원래의 집인 양극으로 돌아갑니다. 그래서 양극을 리튬이온의 ‘본가(本家)’라고 부르기도 합니다.

양극은 활물질, 도전재, 바인더가 결합된 합체를 알루미늄 판 위에 바른 형태입니다. 알루미늄은 기재로서 전자를 모으고 이동시키는 역할을 할 뿐 전자의 생성에는 관여하지 않습니다. 전기를 생산하는 것은 활물질입니다. 활물질에 있는 리튬이온이 배터리의 용량과 전압을 결정합니다.

리튬은 ‘하얀 석유’라고 불릴 정도로 배터리의 원료 중에서도 비싸고 귀한 물질입니다. 원자번호는 3번으로 금속 중 가장 가벼운 알칼리 금속에 속합니다. 리튬은 전자를 잃기 쉬운 구조로 밀도가 매우 낮고 반응성이 높습니다. 물과 공기와도 반응하기 때문에 리튬 단독으로는 이동과 보관이 쉽지 않습니다.

따라서 리튬이온 배터리는 순수 리튬이 아닌 리튬금속산화물을 사용합니다. 산화물일 때 리튬은 반응성이 낮아져 활물질로 사용하기가 쉽기 때문입니다. 활물질은 배터리의 용량과 힘의 원천이기도 합니다.

양극 활물질은 금속 종류에 따라 특성이 다르다.

양극 활물질인 리튬금속산화물은 리튬과 함께 어떤 금속을 사용하느냐에 따라 특성이 달라집니다. 니켈(Ni)은 용량, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 안전성, 알루미늄(Al)은 출력의 특성을 향상시키는 역할을 합니다.

배터리 업체들은 이 금속들을 활물질에 넣어 다음과 같은 다섯 가지 종류의 리튬이온 배터리를 생산하고 있습니다. 처음에 개발된 양극 활물질은 LCO, LMO, LFP 입니다. NCM, NCA는 LCO의 다양화된 버전입니다. 코발트를 기본으로 하되, 활물질 일부를 니켈과 망간 또는 니켈과 알루미늄으로 대체한 것이 NCM과 NCA입니다.

그럼 가장 먼저 개발된 LCO를 살펴보겠습니다. 노벨화학상을 수상한 굿이너프 교수가 1980년 논문으로 처음 발표한 LCO는 리튬, 코발트, 산소 입자를 조합한 것입니다. 일본의 소니가 최초로 채택해 배터리로 양산했습니다. 1990년대 초반부터 휴대용 전자기기에 사용되면서 폭발적인 인기를 얻게 되었고 급속히 대중화가 되었습니다.

코발트를 떠올리면 푸른 빛깔의 바다를 생각하는 사람들이 많습니다. 하지만 원래 코발트는 은백색의 금속으로, 다른 원소와 합성하면 색이 파란색이나 붉은색으로 변합니다. 그래서 코발트는 수세기 동안 도자기, 유리, 타일의 색을 입히는 데 사용되었고, 최근에는 강력한 자석, 고속 절삭도구, 제트 엔진, 가스터빈의 고강도 합금을 만드는 재료로 주목받고 있습니다. 코발트는 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 성질(강자성)을 가지고 있으며 단단합니다.

더불어 코발트는 공기와 물에는 반응하지 않고 묽은 산에는 천천히 녹습니다. 이는 리튬이온이 공기와 물에 쉽게 반응하는 것과는 매우 대조적입니다. 그래서 리튬과 코발트를 적당히 섞으면 부식과 폭발의 위험을 제어할 수 있는 배터리를 만들 수 있는 것입니다. 이는 스마트폰을 포함한 많은 기기에 사용되고 있습니다.

그러나 LCO는 출력 개선에 한계가 있다는 단점이 있습니다. 또한ㄴ 주재료인 코발트는 배터리 제조 원가에서 높은 비중을 차지하는데, 유동적인 가격과 채굴량에도 리스크가 있습니다. 단독 채굴이 어려워 대부분 구리나 니켈을 채굴하는 과정에서 나온 부산물을 정제해서 얻기 때문입니다. 전 세계 물량의 70% 가량이 콩고민주공화국에서 생산되다 보니 수급도 불안정합니다. 코발트가 전동공구, 전기자동차 등으로 확장되기 위해서는 출력 특성과 안전성, 용량이 개선되어야 했습니다. 이에 코발트의 비중을 줄이고 다른 소재로 대체할 필요성이 대두되었습니다.

에너지 용량을 유지하면서 코발트를 대체 할 수 있는 물질을 찾던 중 가장 먼저 채택된 금속은 바로 니켈입니다. 니켈은 지구상에 많이 존재하는 단단한 은백색의 금속으로 연성이 좋습니다. 철, 코발트와 함께 철족 원소로 묶이는 만큼 코발트와 성질이 비슷합니다. 공기 중에도 변하지 않고 산화 반응이 잘 일어나지 않습니다. 또 산화가 되어도 치밀한 막이 내부를 보호해서 녹이 잘 슬지 않습니다. 그래서 도금이나 합금용으로 사용되는데, 특히 리튬과 섞으면 리튬의 높은 반응성을 낮출 수 있습니다.

또한 니켈은 코발트보다 생산량이 많고 가격도 저렴해 니켈 비중을 높이면 성능은 유지하고 가격은 낮출 수 있습니다. 그 결과물로 삼원계 배터리라고 불리는 NCA와 NCM이 탄생했습니다. 삼원계 배터리는 LCO 내 코발트의 비중을 줄이는 과정에서 3개의 물질을 조합한 양극 활물질이 사용된 것입니다.

먼저 NCA는 LCO에 니켈과 알루미늄을 추가한 활물질로, 니켈 비중을 늘리면서 에너지 출력을 향상시킨 소재입니다. NCA는 다음으로 설명할 또 다른 삼원계 배터리인 NCM 배디 상대적으로 높은 기술력이 요구되어 생산 난이도가 올라가게 됩니다.

삼성SDI는 독자적인 기술력을 바탕으로 기존 양극 소재 대비 고용량과 안전성이 확보된 NCA 소재의 배터리를 구현했습니다. 니켈 함량 91%의 하니켈(High-Nickel) NCA 양극 소재를 원통형 배터리에 적용해 성능과 양산성을 검증했고, 이는 전기차용 각형 배터리인 P6에도 적용되고 있습니다. 또 알루미늄 소재와 특수 코팅 기술을 더해 배터리의 열화(충방전 시 자연히 일어나는 용량과 전압의 저하)를 최소화하며 용량과 안전성을 모두 개선했습니다.

다음으로 NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 배터리입니다. NCA에서 알루미늄 대신 망간을 넣었다고 이해하면 쉽습니다. 리튬과 NCM의 비율은 1:1이며, 기본적으로 니켈, 코발트, 망간이 1:1:1로 구성됩니다. NCM은 가격이 저렴한 니켈 함량을 극대화해 코발트 함량을 줄이는 방향으로 발전해 왔습니다.

LMO는 LCO에서 코발트를 망간으로 대체한 것입니다. LMO는 1980년에 개발됐지만 상용제품이 나온 것은 1996년으로 LCO보다 다소 늦습니다. LMO의 장점은 가격이 안정적이라는 것입니다. 가격이 비싸고 수급이 어려운 코발트와 달리, 망간은 광산이 고루 분포돼 있고 가격도 매우 싸기 때문입니다. 하지만 코발트를 망간으로 대체하 만큼, 용량 측면에서 LCO를 따라가지 못합니다. 이는 망간이 산화·환원 반응에 직접 관여하지 않고 리튬이온이 드나드는 것을 제한하기 때문입니다. 또 고온에서는 작동이 어렵다는 단점이 있습니다.

보통 LPF라고 부르는 리튬인산철 배터리는 값비싼 코발트를 아예 사용하지 않는 배터리로 장단점은 LMO와 비슷합니다. 주요 소재인 철(Fe)과 인(P)이 값싸고 풍부한 자원이기 때문입니다. LFP의 특성은 철을 떠올리면 쉽게 추측할 수 있습니다. 화학 구조상 매우 안정적이며 리튬이온의 이동이 쉽고, 기술적 난이도도 낮은 편입니다. 또 철은 전 세계에서 채굴이 가능하기 때문에 가격 면에서도 유리합니다.

하지만 LFP는 평균 전압이 LCO보다 0.5볼트 이상 낮아 에너지 밀도가 낮습니다. 원소재인 철의 영향으로 무게도 많이 나가는데, 리튬이온 배터리의 주요 수요처인 전기자동차 업체들은 에너지 용량이 높고 가벼운 배터리를 추구하기 때문에 LFP의 전기자동차 적용은 한계가 있습니다. 하지만 가격 경쟁력을 앞세우는 중국의 배터리 업체들이 LFP를 개량하는데 공을 들이면서, 최근에는 주행거리가 비교적 짧은 전기자동차나 에너지 저장 시스템(ESS)을 위한 LFP가 생산되고 있습니다.

지금까지 배터리 업체들은 장점을 부각하고 단점은 보완하는 형태로 양극 활물질 개발에 몰두해 왔습니다. 그러나 근본적으로 양극 활물질의 장단점은 원소재가 갖는 장점과 한계에서 나오기 때문에, 최근에는 새로운 금속을 추가하거나 비중을 조절하는 것으로 문제점을 보완하고 있습니다.

[삼성 SDI 제공]