차세대 NCM811 배터리 SK가 먼저 상용화…"세계 최초 양산 스타트"

발행일 : 2018.07.01

SK이노베이션이 전기자동차에 들어가는 중대형 파우치 타입 NCM 811 배터리를 세계 최초 양산했다. NCM 811 배터리는 삼원계 리튬이온 배터리 에너지 밀도를 현존 최고 수준으로 높일 수 있는 기술로 꼽힌다. SK이노베이션은 세계 최초 타이틀을 놓고 LG화학과 경쟁했다.

1일 업계에 따르면 SK이노베이션은 최근 충남 서산 공장에서 차세대 NCM811 배터리 양산을 시작한 것으로 확인됐다. 이 배터리는 기아자동차가 이달 출시 예정인 소형 스포츠유틸리티차량(SUV) 전기차 니로EV에 첫 탑재된다. 

NCM811은 리튬이온 배터리 양극재 핵심 소재인 니켈, 코발트, 망간을 8대1대1 비율로 구성한 배터리다. 에너지 밀도에 영향을 미치는 니켈 함량이 80%까지 높아지고, 코발트 비중은 10% 수준으로 줄인 것이 특징이다. 현재 주로 쓰이는 NCM622 배터리 용량이 180㎃h/g 수준인 것과 비교해 NCM811은 200㎃h/g 이상으로 용량을 높일 수 있다.

양극재 내 니켈 함량을 높이려는 이유는 전기차 주행거리를 내연기관차와 경쟁 가능한 수준으로 늘리기 위해서다. 배터리 에너지 밀도를 높이기 위한 방법은 여러 가지가 있지만 양극재 분야에서는 니켈 함량을 높여 g당 용량을 높이는 것이 가장 현실적인 방법이다.

<배터리 셀을 들고 있는 SK이노베이션 서산공장 연구원. (사진=SK이노베이션)>

다만 니켈 함량이 높아지면 전해액과 반응이 활발해져 안전성 문제가 불거질 수 있다. 때문에 SK이노베이션이 이를 극복하고 초고밀도 배터리 양산에 성공한 것은 의미가 크다.

SK이노베이션 관계자는 “국내 양극재 업체와 협력해 바깥쪽 니켈 함량을 줄이고 중심부 니켈 함량을 높인 구조의 양극재를 개발해 문제를 해결했다”고 설명했다.

새로운 코팅과 도핑 재료를 달리해 안전성을 높이고 세라믹 물질을 코팅한 3세대 분리막도 자체 개발·적용, 기존의 단점을 극복했다고 덧붙였다. 

SK이노베이션은 상용화에 성공하고, 본격 양산에 돌입한 만큼 NCM811 배터리의 전기차 공급을 확대할 방침이다. 

지난해 SK이노베이션과 전기차용 파우치 타입 NCM811 세계 최초 양산 타이틀을 두고 경쟁을 벌였던 LG화학은 고객사가 NCM811 채택을 보류하면서 양산 로드맵이 늦춰진 것으로 알려졌다. LG화학은 NCM811 대신 니켈 비중을 70% 정도로 높인 NCM712 상용화에 집중할 계획이다. 

LG화학은 지난 4월 진행된 1분기 실적발표 콘퍼런스콜에서 “전기차용으로 현재 NCM 622를 양산 중이며 2년 후 NCM 712를 상용화할 것”이라고 밝혔다. 이후 2022년께 니켈 함량을 90%로 끌어올린 4성분계(NCMA) 양극재를 양산 공급한다는 계획이다.

이 같은 전략 수정에는 LG화학 전기차 배터리 최대 고객사인 GM 등 완성차 업체 결정이 영향을 미친 것으로 전해졌다. 

업계 관계자는 “LG화학이 GM 측에 NCM811 배터리를 공급을 타진했지만 GM이 이를 최종 거절한 것으로 안다”고 전했다. 

◇파우치형 배터리=얇은 알루미늄 호일에 배터리 구성물을 넣어 밀봉하는 형태로 만들어진 배터리다. 크기와 형태를 비교적 자유롭게 만들 수 있고 무게가 가벼워 연비 측면에서도 유리한 장점이 있다. 

정현정 배터리/부품 전문기자 iam@etnews.com

LG화학, NCM 811 원통형 배터리 개발 성공

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2017.11.27. 14:53  397 읽음

 LG화학이 기존 전기차용 배터리 대비 에너지 밀도가 높고, 코발트 햠량을 줄인 ’NCM 811’ 배터리 개발에 성공했다. NCM 811(이하 811배터리)은 니켈⋅코발트⋅망간 비율을 8대 1대 1로 조합한 배터리 셀을 뜻한다.

 

최근 수요 증가 탓에 가격이 급등세인 코발트 사용량을 줄이는 반면, 에너지밀도는 10% 이상 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.

 

▲LG화학에서 생산중인 NCM 배터리 제품들./ LG화학 제공

6월 16일 업계에 따르면 LG화학은 최근 2차전지 업계서 활발하게 연구중인 811배터리를 원통형으로 개발하는 데 성공했다.

811배터리가 2차전지 업계서 주목받는 이유는 두 가지다. 하나는 소재 가격 절감이다. 최근 주요 배터리 소재인 코발트와 리튬, 인조흑연 가격이 크게 올랐다. 전기차용 배터리 생산 증가로 인한 수요 증가가 주요 원인이다.

811 배터리는 이 중 가장 가격 상승폭이 큰 코발트 함량을 낮출 수 있다. LG화학이 미국 제너럴모터스(GM) 전기차 볼트(Bolt)에 공급하고 있는 기존 NCM 배터리는 NCM 비율이 6대 2대 2(이하 622배터리)다. 811배터리는 622배터리 대비 코발트 함량은 낮고, 니켈 함량이 상대적으로 높아지지만 니켈은 가격 변동폭이 크지 않다. 공급이 원활하기 때문이다.

 

한국자원공사가 13일 발간한 자원시장 월간동향 2017년 6월호에 따르면 니켈은 최근 수요 증가에도 불구하고, 공급이 동시에 증가하면서 가격이 소폭 하락세다.

811배터리가 주목받는 두 번째 이유는 배터리 성능 향상이다. 업계에선 811배터리가 기존 622배터리 대비 10%이상 높은 에너지 밀도를 달성할 것으로 보고 있다. 기존 622배터리가 1kg당 240~250Wh 에너지 밀도를 가졌다고 가정하면, 811배터리 에너지 밀도는 1kg당 280~290Wh로 추정된다. 이는 양극재를 코발트로만 채우는 LCO 배터리보다 높은 수준이다.

 

한 업계 전문가는 “최근 코발트 가격이 너무 올라 업체들이 LCO양극재를 사용하는 소형 전지를 NCM으로 바꿔 생산하려는 추세”라고 말했다.

이 같은 장점에도 불구하고, 그 동안 811배터리 개발은 2차전지 업계 난제였다. 함량이 높아지는 니켈의 안정성이 낮기 때문이다. 이 때문에 과거 개발된 NCM 배터리는 니켈 비율을 극도로 낮춰 NCM 비율을 1대 1대 1로 동일하게 조합해 사용했었다.

 

LG화학이 811배터리를 기존 파우치형이 아닌 원통형으로 개발한 것도 이 때문이다.

종전 LG화학에서 제조하는 전기차용 배터리는 파우치형이다. 양극재⋅분리막⋅음극재가 각각 한장의 종이라고 가정할 때 종이를 한장씩 순서대로 쌓아 플라스틱 계열 소재로 밀봉한다.

 

▲LG화학에서 제조하는 원통형 배터리./LG화학 제공

 

반면 원통형 배터리는 순서대로 놓인 종이를 동그랗게 말아 원통형 금속에 넣는다. 811배터리에서 가장 큰 비중을 차지하는 니켈은 함량이 올라갈수록 배터리 안정성이 낮아진다. 때문에 셀 폭발 같은 극단적인 상황을 대비해 파우치 밀봉보다 안정성이 높은 원통형 소형 전지를 먼저 개발한 것으로 보인다.

 

선양국 한양대 에너지공학과 교수는 “배터리 셀이 커지면 소재 불안정성이 증가한다”며 “셀이 작은 소형 전지를 먼저 만들어 기술 피드백을 거쳐 대형전지에 적용하는 것이 보통”이라고 말했다.

NCM811, NCM111대비 배터리팩 가격 24% 인하 가능해

•  박찬길 기자
•  승인 2017.07.21 18:34
•  댓글 0

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[키뉴스 박찬길 기자] “500km를 가는 전기차의 실제 주행거리는 300km에 지나지 않습니다. 

절반 이상의 에너지를 사용했을 때부터 운전자가 불안함을 느끼기 때문입니다.”

21일 서울 양재동 at센터에서 열린 ‘2017 국내외 EV고성능 배터리 기술 개발 및 미래 전망 

세미나’에서 전기차 배터리 시장 전망을 주제로 발표한 박재범 포스코 경영연구소 수석연구원은 

다음과 같이 말했다.

박재범 연구원은 전기차의 가장 큰 단점으로 가격과 주행거리를 꼽았다. 

그는 우선 차량 가격에 대해 “전기차가 내연기관차량 대비 가격 경쟁력을 가지려면 3만달러 

수준이 돼야 한다”며 “배터리를 제외한 차체가격 2만달러는 개선 여지가 없다”고 밝혔다.

GM사 볼트(Bolt) 배터리(60kWh)를 기준으로 배터리팩 가격을 1만달러로 계산할 경우, 

1kWh당 배터리팩 기준 가격은 150달러다. 현재 볼트 배터리팩 가격은 이보다 훨씬 비싼 

1kWh당 230달러 수준으로 알려졌다.

주행거리 문제도 언급됐다. 박 연구원은 특히 전기차 주행거리가 운전자 심리 때문에 절반에 

지나지 않는다고 설명했다. 그는 “미국의 한 연구결과에 따르면 전기차를 이용하는 사람들은 

에너지양이 절반이 되면 불안함을 느낀다”며 “500km를 주행하는 전기차가 만들어져도 실제로 

성능을 발휘하는 주행거리는 300km 밖에 되지 않는다”고 말했다.

두 가지 문제를 해결할 방안으로는 니켈⋅코발트⋅망간(NCM) 배터리의 에너지밀도 상승을 꼽았다. 

박재범 연구원은 “니켈⋅코발트⋅알루미늄(NCA) 배터리는 이미 에너지밀도 개선 여지가 많지 않다”며 “

NCM의 비중 조절로 NCM 811배터리를 만들 경우 NCM 111 대비 배터리팩 가격 24% 인하가 가능하다”고 밝혔다.

NCM811과 NCM111은 각각 양극재 소재 비율을 의미한다. 

NCM811은 니켈 80%⋅코발트10%⋅망간10% 비율로 구성된 양극재를 뜻한다. 

NCM111은 소재 비중이 각각 33%를 차지한다. 최근 가격이 폭등하는 코발트에 비중이 줄고 니켈의 비중이 

늘어 소재 가격도 저렴하고 에너지밀도도 높아 배터리의 1kWh당 가격이 낮아진다.

박재범 포스코 경영연구소 수석연구원이 전기차 배터리 시장 전망을 주제로 강연 중이다.

박 연구원은 배터리 에너지밀도 상승이 전기차 선순환관계를 만들 수 있다고 강조했다. 

그는 “모델S 무게 중 배터리팩 비중이 30%”라며 “에너지밀도 상승을 통해 배터리 탑재량이 줄면 

자동차 무게가 감소해 주행거리가 길어지는 선순환관계가 만들어질 수 있다”고 밝혔다.