양극재 종류 생산업체 알아보기

전기차에 사용되는 리튬이온배터리인 이차전지의 구성요소는 양극재,음극재,전해액,분리막으로 분류할 수 있다.그 중에서 양극재는 배터리 제조원가의 약 50%를 차지할 만큼 그 비중이 상당히 중요한 편에 속하는데, 오늘은 양극재 종류 생산업체에 대해 알아보자.

양극재 원리

양극은 리튬이온소스로 전자의 이동에 관여하는 물질로 리튬의 방출과 전자의 움직임을 결졍하며 배터리의 용량과 평균 전압을 결정하는 중요한 요소이다.

1. 양극활물질
2. 도전재
3. 바인더
4. 알루미늄박

위에 언급한 4가지 재료로 양극재를 만들게 되는데, 양극활물질이 배터리의 용량과 전압을 결정하여 주행거리와 성능에 큰 영향일 끼친다. 양극활물질에는 니켈,코발트,망간 등이 있으며 그 밖에 도전재와 바인더 등의 재료를 섞은 것을 전구체라고 하는데, 전구체는 어떤 물질이 대사나 화학반응 등에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정 물질이 되기 전단계를 말한다.전구체에 하얀 석유라고 불리는 리튬을 결합하면 최종적으로 양극재가 만들어진다.

리튬이온배터리의 양극재는 크게 리튬과 전이금속,산소로 분류할 수 있는데 리튬은 양극과 음극을 오가며 전하 용량을 결정하며 산소는 결정구조를 유지해 줄 프레임 역할을 한다. 그리고 전이금속은 산화환원반응이 가능하도록 하는 역할을 하는데 전이금속을 어떤것을 사용하는지, 얼만큼 사용하는지에 따라 양극재의 구성요소가 달라진다. 특히 코발트는 충전과 방전을 가능하게 하는 역할을 하는데 양극활물질에 거의 고정적으로 사용된다.

양극재 사진출처:포스코퓨처엠

양극재 종류

어떤 양극활물질을 사용하는지에 따라 크게 LFP배터리와 NCM,NCA 등의 3원계로 구분할 수 있으며 망간을 추가한 NCMA도 나오고 있는 추세다.

1.LFP배터리 (리튬인산철)

중국에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 LFP배터리로 세계 인산철 배터리의 95%가 중국에서 생산된다. 리튬인산철 배터리는 리튬에 구하기 쉬운 인산과 철을 배합하여 만든 양극재이다. 때문에 가격이 저렴한 편에 속하고 안정성 또한 높아 화재위험이 거의 없고 수명도 긴 편이다. 단, 제조하는데 어려움이 있으며 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 중국의 BYD가 주로 생산하며 전기차와 ESS (에너지저장장치)에 주로 사용된다.

우리나라의 기업들도 LFP배터리 연구개발진행중이며 2025년에는 양산을 목표로 진행중인걸로 안다.

2.NCM

N:니켈,C:코발트,M:망간 을 사용하여 만든 양극재로 보통 니켈비율이 60%,코발트20%,망간20% 를 섞어서 만들어서 3원계 배터리라고 불린다. 비싼 재료를 사용하기에 원가가 높고, 에너지밀도가 높아서 주행거리가 길고 안정성도 높은편이다.에너지밀도가 높기에 화재가 발생할 확률은 높다는 단점이 있다. 포스코퓨처엠과 에코프로비엠,엘앤에프,LG화학,코스모신소재 등이 생산할 수 있다.

니켈함유량이 높으면 용량이 증가하지만 안정성은 떨어진다.코발트를 넣으면 안정성은 증가하지만 생산원가가 올라간다.망간은 안정성을 높이고 비용을 절약할 수 있지만 용량이 감소한다는 단점이 있다. 3원계 배터리는 LFP배터리보다 생산원가가 비싸기 때문에 최근에는 니켈함량을 높이고, 원가가 비싼 코발트를 적게 사용하면서 안정성을 잡으려는 시도가 계속 되고 있다. 

NCM622는 니켈6,코발트2,망간2 비율로 만들어지는데 니켈비율을 8까지 올린 NCM811도 생산하고 니켈을 9까지 올리고 코발트와 망간의 비율을 0.5까지 내린양극재도 개발이 완료되었다.

3.NCA

N:니켈,C:코발트,A:알루미늄 을 이용한 NCA는 배터리 수명이 길고 고출력이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 안정성을 담당하는 망간이 없어서 안정성이 낮은 편이고 제조하는데 어려움이 있다.에코프로비엠과 포스코퓨처엠에서 생산한다.

4.NCMA

니켈,코말트,망간,알루미늄을 모두 넣은 NCMA도 주목받고 있는데 어떤 재료를 얼마만큼 넣느냐에 따라 배터리의 성능이 결정된다. NCMA는LG화학과 엘앤에프가 LG에너지솔루션으로 납품하고 SK온에도 소량 납품하고 있다.

양극재 생산업체

앞서 몇군데의 기업을 얘기했지만 양극재 생산업체는 아래와 같다.

1. 에코프로비엠 : 2013년 하이니켈 양극소재 중심으로 사업을 재편하고 NCA 분야에서 점유율을 높여가고 있는 곳으로 주요 고객사는 삼성SDI와 SK온이다. NCM811,NCA를 생산하며 2025년도에는 약 45만톤을 생산할 것으로 추정된다.
2. LG화학 : NCM811,NCMA를 생산하며 LG에너지솔루션에 100% 납품하고 있다
3. 포스코퓨처엠 : 포스코 그룹 계열의 소재 전문회사로 NCM811,NCA를 생산하며 LG에너지솔루션과 삼성SDI를 고객사로 두고 있다.
4. 엘앤에프 : NCM811,NCMA 양극재를 생산하며 LFP배터리 연구개발이 활발히 진행중인것으로 전해진다.
5. 코스모신소재 : NCM622 를 생산하며 삼성SDI,LG에너지솔루션에 납품한다. 위의 4곳에 비해 생산량은 적은 편이만 장기적으로 하이니켈계 양극활물질을 15만톤 이상 생산할 것을 목표로 증설에 나선다고 전해진다.

양극재는 배터리의 핵심소재로 3원계배터리도,LFP배터리에서도 핵심 요소로 손꼽히는 요소이기에 장기적인 관점에서보면 앞으로의 성장성은 무궁무진할것을 예상된다.3원계배터리의 가장 큰 단점인 생산원가를 어떻게 줄일것인지, 화재위험은 어떻게 낮출 것인지, LFP 배터리 개발은 언제 완료될 것인지 그 추이를 지켜봐야겠다.