이차전지 K배터리 산업 : 단결정 양극재 기술

2.2.2. 단결정 기술

 

테슬라가 모델3를 성공적으로 판매하고 전기차 생산을 늘림에 따라 배터리 기술도 주도하는 상황이 전개되고 있다. 테슬라가 이런 활동을 하는 것은 전기차 산업에서 어느 정도 배터리 전략이 있다는 것이다. 전략의 키워드는 파나소닉 원형 NCA, 맥스웰 건식 극판, CATL LFP, 제프단 교수 논문이고 방향은 원가 절감, 수명 연장이다. 최종적으로 로보택시를 위한 배터리 수명 늘리기 기술들을 선보이는 것이다. 사실 이런 기술들은 테슬라 고유 기술은 아니고 배터리 연구자들이 많이 연구하는 기술들이다. 추가로 양극재 단결정 기술도 언급이 되었다.

 

 

그림 1을 보면 같은 용량이지만 다결정보다 단결정 수명 저하가 크지 않음을 확인할 수 있다. 단결정 형상이 다결정보다 배터리 수명이 더 길다는 것이다. 그림 2 형상을 보면 단결정과 다결정 특성을 이해를 할 수 있다. 다결정은 결정이 부서지는 경우와 표면에 이물질 부착이 쉬운 구조이다. 대표적으로 문제가 되는 물질이 잔류리튬이다. 이런 잔류리튬을 제거하기 위해서 수세(Washing) 공정을 넣게 되면 양극재 가격 상승 원인이 된다. 다결정 양극재 입자를 소결 열처리를 통해서 단결정 형상을 만들게 되면 표면이 매끄러워져 수세 처리를 하지 않더라도 표면 상태를 좋게 만들 수 있게 된다. 추가로 단결정으로 만들면 배터리 싸이클링 수명이 늘어난다. 이론적으로는 간단하지만 논문에도 850도에서 어닐링된 샘플이 균일하고 결정화된 단일 입자를 나타낸다고 표현하였다. 즉 다결정 구조의 양극재를 어닐링 장비를 통해서 단결정화, 싱글 크리스탈화 한다는 것이 이 기술의 핵심이다. 이런 기술적은 부분은 국내 배터리 3사들도 2017년부터 알고 있던 내용이고 현재 다결정과 단결정 기술을 동시에 개선하고 양극재 소재 기업들도  양산 적용을 시도하고 있다.

 

 

2.2.3. LFP, LFPM

 

중국에서는 초기부터 LFP 양극재를 많이 사용하고 있었고 최근 NCM으로 전환되는 상황에서 테슬라가 중국에서 전기차 판매량이 증가하면서 중국 배터리 제조사 CATL과의 협의에서 LFP를 적용한 배터리를 모델3를 출시하게 되었다. LFP는 NCM과 비교하면 용량은 적으나 비교적 안전한 특성이 있어 중국에서는 전기버스에 가장 많이 사용되었다. 한국에서는 NCM의 에너지밀도 우수성으로 LFP 배터리는 상용화하지 않았다. 양극재 비용 증가 원인이였던 코발트가 사용되지 않아 LFP를 ‘코발트 프리’ 라 하는 경우가 있으나 LFP 양극재는 NCM 대비 기술적으로 우수한 양극재는 아니다. NCM, LFP 사용량 증가율을 보면 NCM은 14%, LFP는 3%로 LFP 사용은 점점 줄어든다고 일반적으로 예측하고 있다.

 

[그림] 양극재 사용량 비교, NCM vs LFP

출처 : Avicenne (2017), Arthur D. Little analysis

 

 

 

중국에서 이런 LFP의 사용량을 늘리기 위해서 Mn을 첨가해서 LFMP로 만들어서 사용하려고 한다. 기본적으로 LFP의 가장 큰 문제점은 NCM에 비해서 전압이 낮고 배터리 용량이 작은 문제가 있다. 이런 문제 때문에 LFP 사용량이 점점 줄어들고 있다.

 

[그림] LFP와 NCM, NCA 방전 곡선 비교

 

 

 

 

다만 전압이 일정하게 유지되는 성질이 있어 충방전 특성이 좋다. 현재 중국에서 절대적인 사용량이 많기 때문에 LFP를 쉽게 포기할 수 없는 상황이다. 이런 문제점을 중국 기업들이 2017년 정도부터 인식하기 시작했고 이 부분을 개선하기 위해서 삼원계도 채택하지만 LFP도 버릴 수 없다 라는 생각을 가지고 있었다. 일반적인 전기차 시장 인식은 LFP가 향후 사라질 것으로 예측했지만 중국에서는 2017년부터 LFP를 버릴 생각이 없었던 것이다. 그래서 지금까지 지속적으로 개선 활동을 하고 있었던 것이다. 그것이 최근에 어느 정도 가시권에 들어왔기 때문에 CATL이 테슬라에게 제안을 한 것이다.

 

[그림] 중국 ETC LFP → LFMP 배터리 개발 로드맵

(출처 : ETC Cell 개발 로드맵)

 

그런 중국 기업중 ETC 라는 BYD 하고도 아주 밀접한 관계가 있는 회사가 2017년부터 에너지밀도가 킬로그램당 150와트 수준이었는데 그것을 2019년까지 200와트 까지 늘린다는 계획을 가지고 있었다. 이 정도 기술 수준을 NCM으로 비교하면 NCM523와 비슷한 수준이다. 2017년도 당시 삼원계 수준에 도달하기 위해서 LFP를 지속적으로 개선해 왔던 것이다. 2020년에 내용을 보면 LFPM 과 실리콘까지 사용해서 200와트를 달성하겠다는 목표를 가지고 있다. 2017년부터 LFP에 망간을 추가하고 음극에 실리콘을 사용해서 에너지 밀도를 높이려 하는 계획이 미리 있었던 것이다. 그리고 2025년에 바로 전고체로 넘어가려는 계획이다. 결국 NCM을 사용하지 않으려는 계획이 2017년부터 있었던 것이다. 이런 계획을 가진 이유는? 대부분 납품하는 고객이 두 가지로 나뉘는데 상용차와 버스다. 대부분 버스를 상대하는 기업들이 많고 버스는 대부분 LFP를 사용하고 승용차 부분은 NCM을 사용하겠다는 양극재를 투 트랙 방식으로 적용을 하고 있다.

 

 

[그림] Mn 첨가 LFP, LFMP[우1] 

 

그림은 2017년 기준 LFP 향후 개발 전망이다. LFP 진한 색 부분이 LFMP로 되면 Energy 및 Power가 보완된다는 의미다. NCA와 NCM 경우는 강한 부분이 에너지 부분이다. LFP 경우 에너지가 부족하니 망간을 추가해서 LFMP로 보완을 한 것이다. LFP 기본 특징인 안전과 고속충전, 수명 부분은 원래 가지고 있으니 에너지 부분만 보완하면 기능이 개선되는 것이다. 코스트 부분은 큰 차이가 없다. 이렇게 보완하겠다는 계획이다. LFP가 이렇게 진화하고 있고 NCM도 극한의 기술 개선을 진행중인 대표적인 것이 NCMA다. 이 부분은 중국 SVOLT 라는 배터리 기업이 먼저 소개했는데 장성자동차의 전기차 배터리 회사로 처음부터 LFP를 하지 않았고 3원계부터 시작한 기업이다. 그래서 NCMA를 사용하면 NCM811 대비 재료 비용이 감소하고 사이클 수명도 길어져 배터리 안정성도 높아진다고 주장하였다. 한국 포스코케미칼도 2019년 12월에 NCMA 개발을 알렸다. NCM811과 투톱 체계를 구축한다고 발표하였다. 에코프로비엠이 먼저 NCM811, NCA 대량 생산 체제를 갖추고 앞서가는 상황에서 포스코케미칼은 더 좋은 양극재를 개발하려고 한 것이다. LG화학도 2020년 3월 GM과  배터리 합작 발표를 하면서 NCMA 배터리에 대한해한 언급을 했다. LG화학은 양극재 내재화 라인을 가지고 있어 양극재 기술도 보유한 기업이다. NCMA는 코발트 함량이 5% 안팎으로 줄고 니켈을 90% 까지 늘릴 수 있다고 한다. 그래서 NCM622과 비교해서 배터리 가격을 크게 낮출 수 있다고 한다. 이 부분이 하이니켈 기종들의 특징적인 부분이다.

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 [우1]https://pushevs.com/2020/07/11/cobalt-free-lfp-batteries-are-gaining-traction/

 

 

[그림] Ni-Rich NCMA 양극재 기술[우1] 

 

NCA89, NCM90, NCMA89에 표시된 숫자는 니켈 함량이다. 검은색 NCA, 빨간색 NCM90 이 부족한 부분이 Cycle Life 와 고온 특성이다. 이 부분을 보완하기 위해서 NCM에 Al 알루미늄을 넣어서 만든 것이 파란색 NCMA 다. 알루미늄을 넣어서 수명이 증가하는 부분이 나타났다. 용량 부분은 큰 변화가 없다. 이런 특성이 있기 때문에 NCMA를 이용하면 NCM과 NCA의 부족한 부분을 보완하고 원가 개선도 가능하다. NCMA를 구현하는 방법은 기존 NCA, NCM를 만드는 기술을 응용하여 알루미늄을 첨가한 것이다. 그럼으로써 양극재 입자들이 강해지고 잘 깨지지 않으면서 수명이 늘어나게 되는 것이다. 이런 양극재 개선과 원가 절감은 전기차 제조사들의 요구와 많은 연관이 있다. 실제 전기차 제조 마진을 배터리가 30%이상을 차지하고 있어 더 싸고 좋은 배터리의 수요가 급증하고 있다. 이것을 만족시키기 위해서는 양극재 개선이 필수적이다. 그래서 배터리 제조사들 입장에서도 그것을 달성하기 위해서는 양극재 가격을 낮춰야 되는 부분이 가장 중요한 사항이다. 그런 이유 때문에 결국 NCMA 나 LFMP가 개발된 것이다. 그래서 좀 더 싸거나 주행 거리가 짧은 기종 특히  중국에서 LFMP가 많이 사용될 것이고, 그 외에 지역들은 NCA, NCM 그리고 NCMA가 같이 사용될 것이다.

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 [우1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.8b02499