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차세대 이차전지 하이-니켈 양극 소재의 합성 비밀 풀어 – 연구성과
하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유하고 있는 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 …
Source: www.snu.ac.kr
Date Published: 12/29/2022
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‘하이 니켈계 끝판왕’ 나왔다…Ni 98% 양극재 – e4ds 뉴스
니켈 함량이 80% 이상인 양극재(NCM, NCA)는 흔히 ‘하이-니켈 소재’라 불린다. 비싼 코발트 사용을 최소화하면서 높은 용량을 발현하므로 배터리 업계 …
Source: www.e4ds.com
Date Published: 11/16/2021
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‘하이니켈’이 대세된다···원자재 확보 열올리는 K-배터리
양극재는 리튬이온 배터리 에너지원으로 배터리 성능이나 안전성 등에 영향을 주는 중요 소재다. 국내는 전기차 배터리의 양극재로 NCM, 즉 니켈, 코발트, …
Source: news.mt.co.kr
Date Published: 3/30/2021
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차세대 이차전지 ‘하이 니켈’ 양극소재 고품질화 길 텄다
하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유한 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 있는 차세대 …
Source: www.smartcitytoday.co.kr
Date Published: 11/11/2021
View: 7814
양극재 魔의 94 벽 넘었다…전기차 가격 낮아지나 – 한국경제
에스엠랩, 세계 최초 ‘98% 하이니켈 양극재’ 개발 값비싼 코발트 1%로 줄이고 니켈 함량 98%까지 끌어올려 전기차 배터리 용량 16% 증가.
Source: www.hankyung.com
Date Published: 5/13/2022
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리튬이차전지용 하이니켈계 양극활물질의 구조적, 전기화학적 …
현재 상업화된 리튬이차전지는 양극활물질로 하이니켈계 전이 금속 산화물 (LiNixCoyMnzO2, LiNixCoyAlzO2, x≥ 0.8)을 주로 사용하고 있다. 에너지 저장 시스템 (ESS) …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 4/28/2021
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‘아프지만 괜찮아’…니켈 가격급등에 2차전지 양극재 개편 속도
[아이뉴스24 고종민 기자] 2차전지 산업 재편이 빠르게 진행하고 있다. 큰 틀의 변화는 양극재 기준으로 하이니켈 기반 삼원계 배터리(NCM, …Source: www.inews24.com
Date Published: 10/13/2022
View: 2058
포스코 2차전지 핵심, 양극재 High~! High니켈
미래 먹거리로 각광받고 있는 전기차 배터리산업! 그 핵심소재인 양극재 시장의 주도권을 잡기 위한 포스코그룹의 노력을 소개한다.
Source: newsroom.posco.com
Date Published: 8/1/2021
View: 3395
포스코케미칼, ‘하이니켈·단입자 양극재’ 차세대 소재기술 공개
포스코케미칼은 전기차 주행거리 증대와 안정성 향상을 위해 개발한 단입자 양극재를 비롯해 니켈 함량을 극대화한 N96 하이니켈 제품까지 다양한 …
Source: www.econovill.com
Date Published: 4/17/2022
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주제에 대한 기사 평가 하이 니켈 양극 재
- Author: 엔지니어TV
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- Date Published: 2021. 5. 30.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=_Dcv0D_ja6s
차세대 이차전지 하이-니켈 양극 소재의 합성 비밀 풀어
– 첨단 실시간 분석법을 통해 소재 결함 형성 원인 밝혀내
– 세계적 학술지 ‘네이쳐 케미스트리’에 게재
좌측부터 서울대학교 재료공학부 강기석 교수, 화학생물공학부 박정원 교수, 한국표준과학연구원 박혁준 박사, 서울대학교 화학생물공학부 박하영 연구원
서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 강기석·박정원 교수 연구팀이 리튬이차전지 차세대 양극 소재로 전세계적인 주목을 받고 있는 하이 니켈(high-Ni) 양극 소재의 합성 비밀을 밝혀내고, 저품질 합성 원인을 규명했다고 밝혔다.
전기자동차 보급과 시장이 확대됨에 따라 전기자동차용 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 전기자동차의 주행거리를 늘리면서 가격을 낮추기 위해서는 저가이면서 고용량인 전지 소재 개발이 중요한 화두로 떠올랐다.
하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유하고 있는 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 있는 차세대 양극소재로 주목받고 있다. 하이 니켈 양극소재는 에너지 밀도도 높고 가격경쟁력도 우수하지만 소재의 안정성이 높지 않아 합성이 까다롭고, 수명 특성이 저조한 문제가 있다.
특히, 합성 결과 나타나는 입자의 모양이나 구조결함 등이 성능에 중요한 영향을 미침에도 불구하고 이러한 현상들이 합성 과정에서 왜 발생하는지, 또한 어떻게 극복할 수 있는 등은 베일에 가려져 있어왔으며, 현재까지 이러한 차세대 양극 소재의 합성과 개발은 경험과 시행착오를 통해 이뤄져 왔다.
(상단) 불균일한 합성 반응에 의한 하이 니켈 양극 소재 형상 변화에 대한 실시간 전자현미경 관찰 결과, (하단) 합성 조건에 따른 하이 니켈 양극 소재 합성 반응 경로 및 구조 결함 형성 과정에 대한 모식도
강기석·박정원 교수 연구팀은 최첨단 실시간 전자현미경 분석을 이용하여 양극 소재의 합성 반응을 직접 관찰하는데 성공하였으며, 관찰 결과 합성 조건/전구체(precursor)에 따라 반응이 불균일하게 일어나며, 이러한 현상이 합성상의 부산물 형성, 구조 결함 발생으로 이어지는 것을 밝혀냈다.
또한, 균일한 반응이 일어날 수 있도록 전구체 종류 등 합성 조건을 조절하면 구조 결함 형성을 억제할 수 있다는 점을 규명해냈다.
이번 연구 결과는 첨단 분석법을 이용하여 그간 풀리지 않던 문제를 해소했다는 점에서 학계에 큰 반향을 일으키고 있으며, 향후 산업계에서 양극소재 합성 개발에 다양하게 응용 활용될 것으로 기대된다.
또한 하이 니켈 양극 소재를 고품질로 만들 수 있는 합성 기술의 실마리를 제시했다는 점에서 차세대 저가/고용량 이차전지 개발에도 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
이러한 성과를 인정받아 본 연구 결과는 화학 분야 세계적인 학술지인 ‘네이쳐 케미스트리 (Nature Chemistry)’에 게재되었다.
한편, 이번 연구는 서울대학교 강기석 교수와 박정원 교수 연구팀의 주도로 한국표준과학연구원 등 국내 여러 연구기관들과의 협업을 통해 이루어졌다.
[문의사항]서울대학교 공과대학 재료공학부 에너지신소재연구실 박혁준 / hyuckjun7@gmail.com
‘하이 니켈계 끝판왕’ 나왔다…Ni 98% 양극재
▲UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수(에스엠랩(SMLAB) CEO) ▲UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수(에스엠랩(SMLAB) CEO)
UNIST SMLAB, Ni98 NCMA 단결정 소재 기술 개발
▲니켈(Ni) 함량 90%와 98% NCMA 소재의 충·방전 용량 비교 ▲니켈(Ni) 함량 90%와 98% NCMA 소재의 충·방전 용량 비교
전기차 배터리 가격의 40%는 비싼 코발트가 들어간 양극재가 차지한다. 가격을 낮추려면 코발트를 적게 쓰면서도 용량은 커야 하는데, UNIST 교원창업기업에서 최적의 대안을 제시했다. ‘하이-니켈계 끝판왕’으로 기대되는 ‘Ni98 NCMA (NiCoMnAl) 단결정 소재’다.UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수가 창업한 에스엠랩(SMLAB)에서 비싼 코발트(Co) 함량은 1% 미만으로 줄이고, 니켈(Ni) 함량을 98%까지 끌어올린 전기차 배터리용 양극재를 개발했다고 18일 밝혔다.니켈(Ni) 함량은 배터리 용량을 좌우하는 요소로, 함량을 98%까지 높인 양극재 개발은 이번에 처음 보고됐다.니켈 함량이 80% 이상인 양극재(NCM, NCA)는 흔히 ‘하이-니켈 소재’라 불린다. 비싼 코발트 사용을 최소화하면서 높은 용량을 발현하므로 배터리 업계에서 주목받았다. 핵심 기술은 니켈 함량을 최대로 높여 주행거리를 늘리면서 수명 특성을 개선하는 것인데, 에스엠랩에서는 니켈 함량을 98%까지 높인 것이다.일반적으로 니켈 함량이 1% 늘어나면 소재 1kg당 용량은 2Ah(암페어 시)가 증가한다. 니켈 함량을 90%에서 98%로 높이면 용량이 16Ah(암페어 시) 증가하는 효과를 볼 수 있는 것이다.에스엠랩의 CEO인 조재필 UNIST 특훈교수는 “전기차용 배터리에 일반적으로 사용되는 양극재의 양이 100kg인 점을 고려하면, 1600Ah(암페어 시)만큼의 용량이 늘어나 주행거리 증대로 이어지는 것”이라며 “실제로 Ni98 양극재를 적용한 배터리 셀의 구현용량은 230Ah/kg”이라고 설명했다.배터리 용량이 늘어나면 수명 및 안정성은 줄어들 수 있다. 에스엠랩에서는 이 부분을 ‘세라믹 계열의 신규 코팅 물질’을 적용해 개선했다.현재 상용화 중인 하이-니켈 소재의 니켈 함량은 88∼90% 정도이며, 양극재를 합성할 때 소재 표면에 남아있는 리튬 불순물을 물로 씻어서 제거하는 공정(수세 공정)을 거쳐야 한다. 하지만 세척 과정에서 다량의 원소가 물에 녹아 양산 품질을 확보하지 못한다. ‘2021 더 배터리 컨퍼런스’에서 국내 배터리 제조사 3곳이 이론적으로 양산 가능한 최대 니켈 함량을 94%로 제시하고도 아직 개발하지 못한 이유가 여기에 있다.또 다른 문제점은 현재 상용 양극재들이 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’라는 데 있다. 다결정 소재는 배터리 재료를 제조하는 공정인 압연 시 쉽게 부서진다. 압연은 양극소재가 코팅된 알루미늄판를 회전하는 롤(roll) 사이로 통과시켜 일정한 두께의 판으로 만드는 과정인데, 다결정 소재는 이 과정을 거치며 깨져서 배터리 내에서 불필요한 반응을 촉진한다. 이때 가스 발생이 늘고, 충·방전 주기에도 영향을 주므로 수명이 감소하는 것이다. 에스엠랩에서는 ‘단결정 형태’로 양극재를 만들어 이런 문제를 확연히 줄였다.새로 개발한 Ni98 NCMA 단결정 소재는 가장 비싼 성분인 코발트 함량이 1% 미만이라 단가 경쟁에서도 유리하다. 보통 니켈 함량 90%(Ni90) 양극재는 코발트를 5% 이상 사용해 가격을 높이기 때문이다.조 교수는 “에스엠랩은 경쟁사 대비 2년 앞서 니켈 함량 98% 양극재 개발에 성공한 것”이라며 “2022년 초에 양산 검증을 계획하고 있다”고 밝혔다.한편 에스엠랩은 2018년 7월 설립된 스타트업으로 니켈 함량 83% 이상의 NCM(A) 및 NCA를 수세 공정 없이 단결정 형태로 양산화하는 기술을 보유하고 있다. 2023년 7월까지 이 단결정 양극재 생산량을 현행 7,200톤에서 2만1,600톤까지 늘릴 계획이다. 에스엠랩의 누적 투자유치금은 640억원에 이른다.
‘하이니켈’이 대세된다···원자재 확보 열올리는 K-배터리
한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있게 해주는 ‘하이니켈(High nickel)’ 배터리 비중이 점차 더 커질 것인 가운데 관련 원자재 확보를 위한 국내 배터리 업계 노력도 가열차다. 누가 더 안정적으로 원자재를 확보할 수 있는지가 향후 경쟁력을 결정지을 중요 변수 중 하나가 될 것이란 전망이다.
30일 2차 전지 등에 대한 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 배터리 4대 소재 중 하나인 양극재 가운데서 니켈 비율 80% 이상인 ‘하이니켈’ 양극재 비중은 2020년 8.4%에서 2030년 34.8%로 4배 이상 증가할 전망이다. 양극재는 리튬이온 배터리 에너지원으로 배터리 성능이나 안전성 등에 영향을 주는 중요 소재다.
국내는 전기차 배터리의 양극재로 NCM, 즉 니켈, 코발트, 망간 등을 많이 사용하는데 이 중 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도가 높아져 한 번 충전시 주행거리가 높아진다는 장점이 있다. 단 에너지 밀도가 높아질 때 안전성도 담보해야 하기 때문에 ‘안전하게’ 하이니켈을 구현하는 게 기술력이다.
SNE리서치에 따르면 2020년 기준 양극재 중 비중이 제일 높은 구성은 니켈 함량이 50~60% 수준인 ‘미드니켈’로 약 44.1%를 차지한다. 이 비중은 2030년이 되면 13.6%로 줄어들 전망이다.
NCM 양극재에서 망간 대신 알루미늄을 쓴 NCA 양극재 비중도 2020~2030년 11.2%에서 24.8%로 늘어날 전망이다. NCA도 에너지 용량과 출력에서 강점을 지니는 것으로 알려져 있으며 국내에서는 에코프로비엠이 NCA 양극재를 만드는 대표 업체다.
한 번 충전으로 더 오랜 거리를 달릴 수 있는 하이니켈 양극재 배터리에 대한 전기차 업체의 수요는 강하다.
SK이노베이션은 올해 하반기부터 미국 포드 전기 픽업드럭 ‘F-150’에 니켈 함량을 90%까지 올린 이른바 NCM 구반반(9½½) 배터리 초도물량을 납품할 것으로 알려져 주목된다. 이는 최대 700km 주행이 가능할 것이란 기대다.
SK이노베이션은 최근 ‘인터배터리 2021’ 행사에서 2025년 니켈 94%의 NCM 배터리도 개발을 완료할 것이란 예고했다.
/그림=SNE리서치
삼성SDI도 하반기 니켈 비중 88%의 하이니켈 기술이 적용된 Gen.5 배터리를 BMW 5세대 전기차에 탑재할 예정이다. 이는 1회 충전에 600km 이상 주행이 가능하다.
하이니켈에 대한 수요가 늘어날수록 관련 원자재 확보 경쟁도 치열하다. 관련 원자재로 수산화리튬(LiOH)이 대표적이다.
리튬이온 배터리에는 탄산리튬 또는 수산화리튬이 원자재로 쓰이는데 고용량의 하이니켈 배터리일수록 공정상 수산화리튬이 적합한 것으로 알려져 있다. 특히 니켈 비중이 80% 이상인 전기차용 리튬이온 배터리에는 대부분 수산화리튬이 쓰인다.
이날 SNE리서치가 인용한 ‘벤치마크 인텔리전스’에 따르면 중국 수산화리튬 가격은 2020년 11월 톤당 4만8500위안(약 846만원)에서 올해 6월 9만500위안(약1578만원)까지 87%나 올랐다.
니켈 가격도 꾸준히 오름세다. 런던금속거래소(LME) 기준 국제 니켈 가격은 지난 29일(현지시간) 기준 톤당 1만8213달러로 지난 4월1일(1만6001달러) 이후 3개월 만에 13.8% 올랐다. 니켈 가격은 지난해 1월 초만 하더라도 1만4000달러대였다.
이같은 가격 급등에 배터리 업체들도 안정적인 원자재 확보를 위해 노력중이다.
LG에너지솔루션은 지난 8일 니켈, 코발트 등을 생산하는 호주 제련 전문기업 ‘QPM(Queensland Pacific Metals)’회사의 유상증자에 참여해 약 120억원을 투자, 지분 7.5%를 인수하는 계약을 체결했다고 밝혔다. 이번 지분 인수 및 장기구매계약을 통해 2023년 말부터 10년간 매년 7000톤의 니켈과 700톤의 코발트를 안정적으로 공급받게 됐다.
삼성SDI는 양극재 기업 에코프로비엠과 아예 합작사 에코프로이엠을 설립했다. 지난해 11월 에코프로이엠은 신설공장 착공식을 열었는데 이 곳에서는 하이니켈 양극재를 생산해 전량 삼성SDI에 공급키로 했다.
SK이노베이션도 지난 5월 중국 배터리 기업 EVE에너지와 배터리 소재 전문기업 BTR 등과 합작 양극재 공장을 짓는다는 소식을 알렸다. 해당 공장의 양극재 생산능력은 연간 5만톤 규모로 하이니켈 제품에 주력할 전망이다.
한 배터리 업계 관계자는 “올해 업계 화두 가운데 한 가지는 누가 더 안정적으로 더 많은 원자재를 확보해 더 경제적으로 배터리를 생산할 수 있을지가 될 것”이라고 말했다. 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있게 해주는 ‘하이니켈(High nickel)’ 배터리 비중이 점차 더 커질 것인 가운데 관련 원자재 확보를 위한 국내 배터리 업계 노력도 가열차다. 누가 더 안정적으로 원자재를 확보할 수 있는지가 향후 경쟁력을 결정지을 중요 변수 중 하나가 될 것이란 전망이다.30일 2차 전지 등에 대한 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 배터리 4대 소재 중 하나인 양극재 가운데서 니켈 비율 80% 이상인 ‘하이니켈’ 양극재 비중은 2020년 8.4%에서 2030년 34.8%로 4배 이상 증가할 전망이다. 양극재는 리튬이온 배터리 에너지원으로 배터리 성능이나 안전성 등에 영향을 주는 중요 소재다.국내는 전기차 배터리의 양극재로 NCM, 즉 니켈, 코발트, 망간 등을 많이 사용하는데 이 중 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도가 높아져 한 번 충전시 주행거리가 높아진다는 장점이 있다. 단 에너지 밀도가 높아질 때 안전성도 담보해야 하기 때문에 ‘안전하게’ 하이니켈을 구현하는 게 기술력이다.SNE리서치에 따르면 2020년 기준 양극재 중 비중이 제일 높은 구성은 니켈 함량이 50~60% 수준인 ‘미드니켈’로 약 44.1%를 차지한다. 이 비중은 2030년이 되면 13.6%로 줄어들 전망이다.NCM 양극재에서 망간 대신 알루미늄을 쓴 NCA 양극재 비중도 2020~2030년 11.2%에서 24.8%로 늘어날 전망이다. NCA도 에너지 용량과 출력에서 강점을 지니는 것으로 알려져 있으며 국내에서는 에코프로비엠이 NCA 양극재를 만드는 대표 업체다.한 번 충전으로 더 오랜 거리를 달릴 수 있는 하이니켈 양극재 배터리에 대한 전기차 업체의 수요는 강하다.SK이노베이션은 올해 하반기부터 미국 포드 전기 픽업드럭 ‘F-150’에 니켈 함량을 90%까지 올린 이른바 NCM 구반반(9½½) 배터리 초도물량을 납품할 것으로 알려져 주목된다. 이는 최대 700km 주행이 가능할 것이란 기대다.SK이노베이션은 최근 ‘인터배터리 2021’ 행사에서 2025년 니켈 94%의 NCM 배터리도 개발을 완료할 것이란 예고했다.삼성SDI도 하반기 니켈 비중 88%의 하이니켈 기술이 적용된 Gen.5 배터리를 BMW 5세대 전기차에 탑재할 예정이다. 이는 1회 충전에 600km 이상 주행이 가능하다.하이니켈에 대한 수요가 늘어날수록 관련 원자재 확보 경쟁도 치열하다. 관련 원자재로 수산화리튬(LiOH)이 대표적이다.리튬이온 배터리에는 탄산리튬 또는 수산화리튬이 원자재로 쓰이는데 고용량의 하이니켈 배터리일수록 공정상 수산화리튬이 적합한 것으로 알려져 있다. 특히 니켈 비중이 80% 이상인 전기차용 리튬이온 배터리에는 대부분 수산화리튬이 쓰인다.이날 SNE리서치가 인용한 ‘벤치마크 인텔리전스’에 따르면 중국 수산화리튬 가격은 2020년 11월 톤당 4만8500위안(약 846만원)에서 올해 6월 9만500위안(약1578만원)까지 87%나 올랐다.니켈 가격도 꾸준히 오름세다. 런던금속거래소(LME) 기준 국제 니켈 가격은 지난 29일(현지시간) 기준 톤당 1만8213달러로 지난 4월1일(1만6001달러) 이후 3개월 만에 13.8% 올랐다. 니켈 가격은 지난해 1월 초만 하더라도 1만4000달러대였다.이같은 가격 급등에 배터리 업체들도 안정적인 원자재 확보를 위해 노력중이다.LG에너지솔루션은 지난 8일 니켈, 코발트 등을 생산하는 호주 제련 전문기업 ‘QPM(Queensland Pacific Metals)’회사의 유상증자에 참여해 약 120억원을 투자, 지분 7.5%를 인수하는 계약을 체결했다고 밝혔다. 이번 지분 인수 및 장기구매계약을 통해 2023년 말부터 10년간 매년 7000톤의 니켈과 700톤의 코발트를 안정적으로 공급받게 됐다.삼성SDI는 양극재 기업 에코프로비엠과 아예 합작사 에코프로이엠을 설립했다. 지난해 11월 에코프로이엠은 신설공장 착공식을 열었는데 이 곳에서는 하이니켈 양극재를 생산해 전량 삼성SDI에 공급키로 했다.SK이노베이션도 지난 5월 중국 배터리 기업 EVE에너지와 배터리 소재 전문기업 BTR 등과 합작 양극재 공장을 짓는다는 소식을 알렸다. 해당 공장의 양극재 생산능력은 연간 5만톤 규모로 하이니켈 제품에 주력할 전망이다.한 배터리 업계 관계자는 “올해 업계 화두 가운데 한 가지는 누가 더 안정적으로 더 많은 원자재를 확보해 더 경제적으로 배터리를 생산할 수 있을지가 될 것”이라고 말했다.
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차세대 이차전지 ‘하이 니켈’ 양극소재 고품질화 길 텄다
◇왼쪽부터 강기석 서울대학교 재료공학부 교수, 박정원 화학생물공학부 교수, 박혁준 한국표준과학연구원 박사, 박하영 서울대학교 화학생물공학부 연구원(사진: 서울대 공과대학)
서울대학교는 22일 공과대학 강기석·박정원 교수 연구팀이 리튬이차전지 차세대 양극 소재로 전 세계적인 주목을 받는 하이 니켈(high-Ni) 양극 소재의 합성 비밀을 밝혀내고, 저품질 합성 원인을 규명했다고 밝혔다.
전기자동차 보급과 시장이 확대되면서 전기자동차용 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 전기자동차의 주행거리를 늘리면서 가격을 낮추려면 저가이면서 고용량인 전지 소재 개발이 중요한 화두로 떠올랐다.
하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유한 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 있는 차세대 양극 소재로 주목받고 있다.
하이 니켈 양극 소재는 에너지 밀도도 높고 가격 경쟁력도 우수하지만, 소재의 안정성이 높지 않아 합성이 까다롭고, 수명 특성이 저조한 문제가 있다.
특히 합성 결과 나타나는 입자의 모양이나 구조 결함 등이 성능에 중요한 영향을 미치지만, 이런 현상들이 합성 과정에서 왜 발생하는지, 또한 어떻게 극복할 수 있는 등은 베일에 가려졌다. 현재까지 이런 차세대 양극 소재의 합성과 개발은 경험과 시행착오를 거치며 이뤄져 왔다.
강기석·박정원 교수 연구팀은 최첨단 실시간 전자현미경 분석을 이용해 양극 소재의 합성 반응을 직접 관찰하는 데 성공했다. 관찰한 결과, 합성 조건/전구체(precursor)에 따라 반응이 불균일하게 일어나며, 이런 현상이 합성 상의 부산물 형성, 구조 결함 발생으로 이어지는 사실을 밝혀냈다.
또한 균일한 반응이 일어나도록 전구체 종류 등 합성 조건을 조절하면 구조 결함 형성을 억제할 수 있다는 점을 규명했다.
이번 연구 결과는 첨단 분석법을 이용해 그간 풀리지 않던 문제를 해소했다는 점에서 학계에 큰 반향을 일으키고 있다. 앞으로 산업계에서 양극 소재 합성 개발에 다양하게 응용 활용될 것으로 기대된다.
또한 하이 니켈 양극 소재를 고품질로 만들 수 있는 합성 기술의 실마리를 제시했다는 점에서 차세대 저가/고용량 이차전지 개발에도 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
이번 연구 결과는 이 같은 성과를 인정받아 화학 분야 세계적인 학술지인 ‘네이쳐 케미스트리 (Nature Chemistry)’에 게재됐다.
자료: 네이처 케미스트리 홈페이지 캡처
한편 이번 연구는 강기석 서울대학교 교수와 박정원 교수 연구팀의 주도로 한국표준과학연구원 등 국내 여러 연구기관과의 협업을 통해 이뤄졌다.
양극재 ‘魔의 94% 벽’ 넘었다…전기차 가격 낮아지나
냉전시대 미국이 소련과의 경쟁하면서 개발한 인터넷과 모바일기술은 미국이 아니라 중국에서 꽃피웠습니다. 인터넷과 모바일기술의 본적은 실리콘밸리지만 현주소는 중국입니다. 지금 중국은 인터넷, 모바일기술로 무장한 플랫폼기업의 천국이 됐습니다. 인터넷과 모바일, 기술은 미국에 있었지만 시장은 중국입니다. 2020년 기준으로 중국의 인터넷가입자수는 9억9000만명으로 미국 3억1000만명의 3.2배 수준이고, 모바일가입자는 17억3000만명으로 미국의 4억명의 4.3배에 달했습니다.예전에는 실리콘밸리의 인터넷 비즈니스 모델을 중국이 베꼈지만, 지금 모바일 비즈니스 모델은 중국엔 있지만 실리콘밸리에 없는 것이 많습니다. 짝퉁이 원조를 넘어선 것입니다. 이유는 “기술은 시장을 못 이긴다”는 철칙 때문입니다.신기한 신기술 제품이 나오면, 만들어 파는 자가 왕인 것은 도입기의 잠시이고 시간이 지나면 사는 자가 왕입니다. 그래서 소비자가 왕이고, 고객을 만족시키면 성공하고 고객을 졸도시키면 졸부가 됩니다. 결국 시장이 기술을 이깁니다.강(江)이 크면 거기서 자라는 고기도 큽니다. 미국의 3~4배에 달하는 거대한 인터넷과 모바일 가입자를 가진 중국에서 중국의 인터넷, 모바일기업은 동화 속 ‘잭의 콩나무’처럼 자랐습니다. 여기에 또 하나 숨은 비밀은 정부의 정책이 있었습니다. 중국 정부는 중국에 없던 새로운 서비스인 인터넷과 모바일산업에 대해, 말로만 하는 것이 아니라 진짜 ‘규제 샌드박스’ 정책을 실시했습니다. 사실 중국은 규제하고 싶어도 잘 알지도 못했고, 자료도 없었기 때문에 아무 규제없이 “할 수 있는 것을 다 해보라”고 내버려 뒀던 겁니다. 그러자 중국 인터넷 기업은 세계 최대의 가입자 수와 정부의 규제 샌드박스 속에서 쑥쑥 자랐습니다. 높은 성장성 덕에 인터넷의 천국, 미국 증권시장에 대거 상장해 엄청난 자금을 끌어모았습니다. 중국 인터넷기업들은 여기서 모은 돈을 재투자하면서 중국 ‘골목대장’에서 세계적인 ‘빅테크 기업’으로 환골탈태했습니다. 지금 세계 10대 인터넷 기업 중 5개가 중국기업입니다. 중국의 인터넷 모바일기업들이 중국의 시장과 미국의 돈으로 미국 자본시장에서 꽃을 피운 겁니다. 시장은 정부를 못 이긴다풀은 바람부는 방향으로 누워야 하고, 반대방향으로 일어서면 말라 죽습니다. 어느나라 건 “정부에 맞서지 말라”는 것은 사업이나 투자의 철칙입니다. 통신, 운송, 인터넷 산업은 전형적인 정부규제 산업입니다. 중국의 모바일과 인터넷산업도 예외가 아닙니다. 2020년 1월에 중국 정부는 인터넷산업에 반독점법을 제정하면서 인터넷 모바일 산업에서 샌드박스를 치우고 규제박스 들고 나왔습니다. 알리바바의 반독점법 위반을 계기로 중국 인터넷 모바일산업에 대해 반독점법, 네트웍보안법, 데이타보안법, 개인정보 보호법을 연달아 적용하면서 그간의 방관에서 철저한 규제와 감독으로 돌아섰습니다.그러자 미국과 홍콩에 상장한 중국인터넷 모바일기업의 주가 급락으로 이어졌고, 불안감을 느낀 미국과 홍콩의 투자가들은 앞다퉈 손절매에 나서 주가 대폭락을 만들었습니다. 중국 플랫폼기업에 투자했다 정부정책의 변화에 뒤통수 맞은 미국의 기관투자가들과 유명인사들의 중국 플랫폼기업 투자중단 선언이 나올 정도로 충격은 컸습니다. 중국 정부는 꿍꿍이가 있었습니다. 중국의 플랫폼규제는 중국 입장에서는 다가올 미중전쟁에 대한 준비였습니다. 중국 인터넷, 모바일 시장은 외국인에 개방돼 있지 않기 때문에 과감한 규제를 해도 그 수혜가 외국 기업으로 갈 가능성이 없습니다. 중국 내 기업간 점유율에 변화가 있을 뿐입니다. 그리고 미중 인터넷전쟁에서 중국 시장 개방에 대비해 먼저 법을 만들어 놓고 대응한 것인데, 여기에 애먼 미국 투자가들만 된통 당한 것입니다. 인터넷 기업은 주로 미국에 상장해 있어 정책 리스크로 인한 주가 하락은 중국인이 아닌 미국 투자가들이 희생양이기 때문에 중국 정부는 증시 반응에 신경 쓰지 않고 과감한 조치를 한 겁니다. 중국 기업인의 띠는 ‘게띠’다중국 기업인의 띠는 ‘게띠’라는 농담이 있습니다. 한번 뜨거운 물에 들어간 게(crab)는 빨개지면 다시 살아나지 못합니다. 중국 정부의 힘을 너무나도 잘 알고 있는 중국 플랫폼기업들은 정부의 조치에 납짝 엎드렸습니다.중국 금융 엘리트들에게 훈수 두던 알리바바의 마윈은 죽은 듯이 숨어 있고, 2위인 텐센트를 포함한 중국의 6대 플랫폼기업들은 그간 벌었던 떼돈을 사회에 환원하겠다고 앞다퉈 기부와 출연을 하고 있습니다. 중국은 17억3000만명의 모바일 가입자를 가진 거대한 플랫폼의 나라가 됐지만, 플랫폼은 한번 만들어지면 누가 주인이 되는 상관없이 돌아갑니다. 중국 당국이 세계 시총 톱 10안으로 들어간 중국 플랫폼기업을 시장 충격에 상관 않고 제재하는 이유는 그 시총은 미국이 만든 시총이지 중국의 시총이 아니기 때문입니다. 그리고 기업공개(IPO) 해서 조달한 거대한 미국자금은 이미 중국으로 가져와 다 썼습니다. 중국의 플랫폼기업이 중국을 현금 없는 사회(cashless socity), 언택 사회(untact society)로 만든 것은 맞지만 이는 서비스중계 모델입니다. 중국은 제조 나라이고, 플랫폼기업 빅6들이 창출한 연간 매출액은 중국 국내총생산(GDP)의 2%선에 불과합니다. 중국 당국은 플랫폼 인프라는 중국의 차이나모바일, 차이나유니콤, 차이나텔레콤이 만든 것이고, 그 위에 올라간 앱은 알리바바든 징동이든 핀둬둬든 언제든지 순위를 바꿀 수 있다고 보는 것입니다. 새장 안의 새는 언제든 바꿀 수 있다고 보는 것이고, 이것이 중국 플랫폼기업의 리스크이자 선두기업 알리바바 주가가 속락한 후 부진을 벗어나지 못하는 진짜 이유입니다. 플랫폼 보다 반도체·배터리 시장이 더 크다중국 투자는 ‘정책’과 ‘시장’을 잘 봐야 합니다. 큰 시장도 정부가 부정적으로 보면 뜨거운 물에 들어간 게(crab)처럼 한방에 가는 것이고, 별 볼일 없던 시장도 정부가 맘먹고 육성한다고 하면 순식간에 불같이 일어서는 것이 중국입니다. 샌드박스를 치우고 규제박스를 들고 나온 중국 정부의 정책변화로 중국 플랫폼 기업의 봄날은 갔습니다. 중국을 ‘정책과 시장의 눈’으로 보면 두가지 업종이 눈에 확 들어옵니다. 바로 반도체와 배터리업종입니다. 중국 플랫폼의 겨울, 반도체와 배터리는 봄날인 이유는 미중전쟁과 내수육성 전략 때문입니다. 미국이 무역전쟁에서 기술전쟁으로 전쟁터를 바꾸면서 아이러니하지만, 중국의 반도체 업체의 주가가 계속해서 오르고 있습니다. 미국의 반도체봉쇄로 중국반도체가 고사할 것이라는 예측과는 정반대입니다. 이유는 역시 “시장을 기술은 못 이긴다”는 겁니다. 단순 통계로 중국이 수입하는 연간 반도체금액은, 물론 재수출 물량도 있지만 전세계 반도체 총시장의 80%를 차지합니다. 이는 전세계 노트북, 핸드폰, 디지털TV의 60~90%를 중국이 생산하고 있기 때문입니다. 반도체는 중국 정부가 목숨 걸고 달성하려는 국산화 수혜주입니다. 심지어 모그룹이 부도났다는 칭화유니그룹의 자회사인 자광국미(紫光国微)의 주가도 급등했고, 중국 반도체 장비주의 대표주자인 북방화창(北方华创)은 신고치를 경신하고 있습니다. 미국의 대중 반도체기술규제는 10nm이하 첨단기술이고 화웨이(华为)와 SMIC(中芯国际)를 규제하는 것이지, 다른 스마트폰 회사나 반도체 회사들은 규제대상은 아닙니다. 중국은 반도체 기술봉쇄에 맞서 28nm이상 기술가진 기업은 25%에 달하는 법인세를 10년간 면제하고, 수입장비 관세를 면제해 주는 등 파격적인 지원정책을 쏟아 내고 있습니다. 배터리는 중국의 내수 산업육성전략의 중심에 있습니다. 중국은 소비가 GDP의 절반을 넘어서는 소비사회로 진입했고, 자동차가 내수시장 최대 소비품목입니다. 중국은 연간 2530만대의 자동차를 구매합니다. 미국 연간 자동차 구매대수는 1450만대 선에 불과합니다. 중국은 내수중심성장으로 성장모델 바꾸고 내수육성에 올인하고 있는데, 이를 위해서는 자동차산업 육성이 모든 내수정책의 앞단에 있습니다. 그런데 중국 정부의 자동차산업 육성은 석유 먹는 전통자동차가 아니라 클린에너지로 가는 4차혁명의 전기자율주행자동차입니다.중국 전기차시장은 이미 세계 시장의 39%로 미국(14%)의 2.8배로 세계 최대의 시장으로 부상했습니다. 중국은 내수중심성장으로 성장모델 바꾸고 내수육성에 올인하고 있는데, 이를 위해서는 자동차산업 육성이 모든 내수정책의 앞단에 있습니다. 그런데 중국 정부의 자동차산업 육성은 석유 먹는 전통자동차가 아니라 클린에너지로 가는 4차혁명의 전기자율주행자동차입니다. 중국 전기차시장은 이미 세계 시장의 39%로 미국(14%)의 2.8배로 세계 최대의 시장으로 부상했습니다.그래서 전기차의 심장인 베터리 시장도 세계 최대이자 정부의 집중 육성산업입니다. 지금 중국 전기차 배터리산업 역시 45%의 점유율로 세계 1위입니다. 중국은 전기차시장 14차 5개년 계획기간 동안 획기적으로 육성하고 있습니다. 전기차 시장은 누가 선두가 될지 모르는 박터지는 시장이 되겠지만 누가 전기차를 만들든지 배터리는 있어야 합니다. 미국, 홍콩 상장된 플랫폼기업들과는 반대로 중국본토의 배터리와 배터리 소재업체, 반도체와 반도체장비 업체들의 주가가 사상 최고치를 경신하는 것은 정책과 시장의 관점에서 보면 이유가 있습니다. <한경닷컴 The Moneyist> 전병서 중국경제금융연구소 소장”외부 필진의 기고 내용은 본지의 편집 방향과 다를 수 있습니다.”독자 문의 : thepen@hankyung.com
[논문]리튬이차전지용 하이니켈계 양극활물질의 구조적, 전기화학적 특성 개선 연구
초록
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현재 상업화된 리튬이차전지는 양극활물질로 하이니켈계 전이 금속 산화물 (LiNixCoyMnzO2, LiNixCoyAlzO2, x≥ 0.8)을 주로 사용하고 있다. 에너지 저장 시스템 (ESS) 및 전기자동차 (EV)의 원활하고 효율적인 사용을 위해서는 기존 양극소재 보다 에너지 밀도, 출력 특성 그리고 수명 안정성 등이 요구되며, 이러한 조건을 만족하기 위해서는 양극 소재의 특성 개선에 대한 돌파구가 제시되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 리튬이차전지용 양극소재의 구조적, 전기화학적 특성을 개선하기 위하여 1) 산소와의 결합력이 …
현재 상업화된 리튬이차전지는 양극활물질로 하이니켈계 전이 금속 산화물 (LiNixCoyMnzO2, LiNixCoyAlzO2, x≥ 0.8)을 주로 사용하고 있다. 에너지 저장 시스템 (ESS) 및 전기자동차 (EV)의 원활하고 효율적인 사용을 위해서는 기존 양극소재 보다 에너지 밀도, 출력 특성 그리고 수명 안정성 등이 요구되며, 이러한 조건을 만족하기 위해서는 양극 소재의 특성 개선에 대한 돌파구가 제시되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 리튬이차전지용 양극소재의 구조적, 전기화학적 특성을 개선하기 위하여 1) 산소와의 결합력이 강한 양이온을 전구체에 도핑하여 구조적 안정성을 개선하고 수명특성을 향상시키고자 하였으며, 2) 양이온이 도핑된 양극활물질 표면에 전도성 고분자를 코팅하여 전해액과의 부반응을 억제하고 이를 통해 양극 표면에 전해질과의 반응으로 인한 산화물 형성이 감소하여 셀의 저항감소를 통한 율 특성을 개선하고자 하였다. 마지막으로, 3) 전구체 합성 공정인 공침법의 합성 조건을 변수로 하여 전구체를 합성하고 변수에 따른 전구체 및 양극활물질의 특성을 비교 분석하여 고품질 이차전지 양극소재용 전구체를 제조하도록 하였다.
1) 산소와의 결합력이 강한 양이온인 이트륨을 전구체에 도핑한 결과, 수명 특성이 63%에서 80%로 개선되었다.
2) 전해질과의 부반응을 억제하고 표면 안정성을 향상시키기 위해 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 코팅한 양극활물질의 저항 특성이 개선되었고, 이에 따라 5C의 고율에서도 43% 향상된 결과를 나타내었다.
3) 공침 합성 조건을 변수로 하여 전구체를 합성한 결과, pH 11.8에서 합성된 양극활물질의 구조적 안정성 및 전기화학 특성이 가장 우수하게 분석되었다.
결과적으로 양이온 도핑 및 전도성 고분자 코팅, 공침 합성 조건을 변수로 하여 전구체를 합성하여 하이니켈계 양극활물질 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2의 특성을 개선할 수 있었다.
‘아프지만 괜찮아’…니켈 가격급등에 2차전지 양극재 개편 속도
[아이뉴스24 고종민 기자] 2차전지 산업 재편이 빠르게 진행하고 있다. 큰 틀의 변화는 양극재 기준으로 하이니켈 기반 삼원계 배터리(NCM, 니켈·코발트·망간)와 리튬인산철(LFP) 배터리의 시장의 형성이다.그동안 리튬을 비롯한 주요 2차전지 부자재들의 가격이 급등한 데 이어 우크라이나·러시아 전쟁이 니켈 등 가격 상승을 가속화하며 양극재 관련 소재주의 재편을 자극하고 있다. 특히 LFP 배터리 시장의 성장 속도가 가파를 것이라는 전망이다.
양극재 시장규모 [사진=sne리서치]
◆ 니켈 가격 상승으로 자동차 업체 위기?…LFP 전환으로 대응 중
하이니켈 양극재 배터리는 과거 주류였던 니켈 함량을 60∼70%에서 80∼90%까지 확대해 에너지 밀도를 높였다. 이 같은 니켈 함량 증가는 1회 충전 시 주행 거리를 대폭 늘렸다.
전기차 업체는 주로 하이엔드급에 하이니켈 배터리를 적용했고, 높은 주행 능력의 차량들을 출시하고 있다.
LFP 양극재 배터리는 하이니켈 배터리 대비 에너지 밀도를 개선하기 어렵지만 외부 충격·고온·과충전 등에도 폭발하지 않는 것으로 알려졌다. 또한 배터리 가격이 하이니켈 대비 저렴하다. 가격 경쟁력은 삼원계 대비 30% 가량 낮다. 테슬라 등 주요 전기차 업체들이 스탠다드, 저가형 전기차에 LFP 배터리를 채택하는 이유다.
유지웅 KTB투자증권 연구원은 “최근 러시아 경제 제재에 따른 니켈 가격 급등은 단기적으로 자동차 업종에 관한 불확실성을 확대시킬 것”이라며 “자동차 배터리 업체들은 기존부터 하이니켈 배터리의 대중화 여력에 관해 지적해 왔다”고 말했다.
이어 “최근 다임러, 폭스바겐 등 글로벌 자동차 회사들이 LFP 양극재 도입계획을 구체화하고 있다”며 “니켈가격의 급등은 이러한 움직임을 가속화할 변수”라고 설명했다.
러시아는 하이니켈 배터리의 핵심 원자재인 니켈의 주요 생산지다. 2021년 기준 러시아의 니켈 생산 규모는 세계에서 9.2%를 차지한다. 러시아의 우크라이나 침공이 니켈 가격 급등을 자극했다.
니켈 가격 폭등은 전기차 배터리 업계 전반에 영향을 미치고 있다. 특히 하이니켈을 비롯한 삼원계의 비중은 현재 글로벌 대형전지 시장에서 약 70%에 육박하고 있어, 니켈 가격의 급격한 상승은 전기 자동차와 양극재 회사에 타격을 주고 있다. 삼성증권에 따르면 니켈 가격이 NCM622(니켈·코발트·망간 비율 6:2:2) 기준으로 10% 상승하면, 양극재 비용은 2.4% 인상된다.
결국 원자재 급등으로 인한 충격파를 피하기 위해 자동차 업계는 니켈 등의 희소 광물의 영향을 줄이려는 움직임을 강화하고 있다.
김현수 하나금융투자 연구원은 “니켈을 중심으로 한 삼원계 진영의 주요 광물 자원 가격 상승이 진행되는 가운데, LFP 배터리의 가격 매력 증대는 매우 위협적”이라며 “양극재 총 중량 중 NCM 811 제품의 주요 광물 자원별 무게 비중은 니켈 48%, 산화물 33%, 리튬 7% 등으로 고가의 광물자원들이 차지하는 비중이 높다”고 강조했다.
그러면서 “LFP 양극재는 산화물 41%, 철 35%, 인 19%로, 고가의 광물 자원들이 포함돼 있지 않다”고 덧붙였다.
앞으로 주목할 점은 고부가가치 금속을 원재료로 쓰는 하이니켈 배터리의 독주 체제 종식 가능성이다. LFP 배터리는 그동안 중국업체와 일부 완성차 업체에서만 사용했다. 변화를 이끌고 있는 곳은 테슬라다. 테슬라가 LFP배터리를 모든 스탠다드 트림(하이트림)에 탑재하겠다고 선언하면서 2차전지 시장에 신호를 줬다. 전기차 신흥 강자인 리비안도 스포츠유틸리티차량(SUV)에 LFP를 탑재하겠다고 나섰다.
KTB투자증권에 따르면 국내는 현대차에서 LFP 채용 움직임을 보이고 있다. 현대차는 오는 2024년까지 대부분의 전기차에 삼원계 배터리를 채용하지만 신흥국 시장은 2025년부터 글로벌 지역별 엔트리급(경제형) 세그먼트에 LFP배터리의 도입을 계획하고 있다.
삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등 국내 핵심 2차전지 배터리 완성품 제조업체들도 국내외 고객사를 대상으로 LFP 배터리 양산을 위한 생산 설비 카드를 준비 중이다. 배터리 산업 구조가 일반적으로 3년간 준비 기간을 거쳐 7년 동안 납품 과정을 거치는 만큼 올해가 국내 배터리사의 LFP 도입의 초입이라고 해석해도 무방하다.
에코프로비엠의 모회사 에코프로는 ‘에코-프렌들리데이(ECO-Friendly Day)’ 행사를 열고 오는 2025년 말까지 양극재 생산능력을 연 48만톤까지 확대하는 계획을 지난 4일 밝혔다. [사진=에코프로 유튜브 캡처]
◆ ‘아프지만 괜찮아’…국내 2차전지 양극재 업체, 기술력으로 극복
국내 양극재 업체는 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK이노베이션 등 주요 고객사의 영향으로 하이니켈 양극재에 특화됐다. 해당 업체들은 니켈 등 원자재 상승 우려를 한 몸에 받았고 올해 들어 주가 조정 과정을 거치고 있다. 올해 실적 전망치도 하향되고 있다.
윤혁진 SK증권 연구원은 “최근 니켈 선물가격 급등은 메탈가격 상승에 따른 전기차 원가 부담 우려에 불을 지피며 2차전지 업체들 주가에 악영향을 미쳤다”며 “니켈, 코발트, 리튬 가격 상승에 따라 중국 시장 기준 삼원계 양극재 가격도 현재 11월 대비 50% 상승한 상황”이라고 말했다.
이어 “양극재가 배터리 원가(원가 중 소재 비중 61%. 소재 중 양극재 비중 40%)의 25%를 차지하는 것을 고려하면 배터리 판가가 10% 상승해야 하는 상황인 것”이라며 “(테슬라를 제외하고) 배터리 가격을 올려주려면 전기차 가격을 인상해야 하지만, 쉽지는 않은 상황”이라고 진단했다.
특히 최근 가격 급등은 대응하기 쉽지 않은 수준으로 평가된다. 배터리 셀 업체들은 자동차 OEM 업체들과의 수주 건마다 다르겠지만, 양극활물질인 3대 메탈(리튬, 니켈, 코발트) 가격은 매달 판가에 전가하는 구조를 형성했지만 관행상 셀가격의 전가가 자주 진행되지 못한다.
불행 중 다행인 점은 최악의 상황을 벗어나고 있다는 분석이다. 니켈 가격 급등에 따라 삼원계 양극재(NCM, NCA)의 경쟁력 약화 우려가 있지만, LFP 양극재 가격도 급등하고 있다. 이에 윤 연구원은 중고가 전기차에서의 삼원계 양극재의 우위 지속을 전망한다. 또한 니켈, 망간, LiPF6 등과 같은 급등한 배터리 소재 가격들이 최근 조정을 받고 있어 배터리 원가에 관한 우려는 정점을 지난 것으로 판단한다.
국내 양극재 제조업체들의 기술력도 현재 상황을 극복하는 원동력이다. 국내 대표 하이니켈 양극재 기업은 LG에너지솔루션을 고객사로 둔 엘앤에프와 삼성SDI·SK이노베이션에 납품을 하는 에코프로비엠이 있다.
엘엔에프는 양극재 원자재 가격 상승에도 불구하고 가격과 물량 상승으로 견조한 흐름을 보이고 있다. 특히 최종 고객인 테슬라는 배터리 가격을 전기차 가격에 전가 시키고 있어 부담감이 상대적으로 덜하다.
에코프로비엠도 NCM·NCA 양극재 업체로 ▲하이니켈 기술력 ▲원재료조달-리사이클링까지의 수직계열화 ▲해외 생산거점 계획으로 원자재 가격 상승 등에 대응하고 있다.
포스코 2차전지 핵심, 양극재 High~! High니켈
코로나 사태에도 불구하고 글로벌 전기차 판매가 급증하고 있다. 세계 각국이 내연기관 차량의 배기가스 배출을 규제하고 親환경차 도입을 지원하는 각종 정책을 펴나가는 한편, 전기차 배터리 기술력이 크게 신장되고 있기 때문이다.
국내 한 증권사 보고서에 따르면, EU의 ‘20년 2분기 전기차 판매량은 전년 동기 대비 33% 늘어난 것으로 나타났으며, 우리나라의 경우도 ‘20년 상반기 전기차 판매대수가 2만 2267대로 집계되어 작년 대비 판매량이 23% 증가했다.
코로나 팬데믹으로 지역별 락다운 조치가 취해지는 상황에서도 글로벌 전기차 산업은 완성차 기업들까지 본격적으로 뛰어들면서 더욱 폭발적으로 성장할 것이라는 게 중론이다. 시장조사기관인 SNE리서치에 따르면 ‘23년 배터리수요는 916GWh로 공급량 776GWh를 뛰어넘는다고 예상하고 있다.
l 포스코케미칼, 양극재·음극재 토털 솔루션을 제공하는 한국 유일의 2차전지 소재기업
이러한 자동차의 전동화(electrification)라는 흐름에 발맞춰 포스코그룹은 일찌감치 2차전지 소재사업에 뛰어들어 기술 리더십을 위해 매진하고 있다. 전기차 배터리를 구성하는 4대 주요 소재 중 양극재와 음극재를 동시에 생산중인 한국내 유일한 기업으로, 우수한 기술역량을 바탕으로 양극재·음극재 토탈 솔루션을 제공하고 있는 포스코케미칼이 그 선두에 있다.
전기차 성능 중 소비자가 가장 중요하게 생각하는 부분은 ‘주행거리’와 ‘충전시간’이다. 2차전지 핵심소재인 양극재의 경우 전기차 배터리 성능(용량)에 영향을 미치는 반면, 음극재는 배터리 수명과 충전시간에 영향을 미친다. 이에 따라, 포스코 그룹은 1회 충전시 주행거리 600km달성을 위해 에너지 밀도를 높이면서도 원가를 낮춰 경제성을 확보할 수 있는 High니켈 기반의 양극재 개발과 동시에 ‘10분 급속충전’을 위해 구조안정성이 높고 팽창성이 낮은 인조흑연 음극재 등 차세대 제품개발에 박차를 가하고 있다.
또한 타이트한 시장 수급상황에 대응해 포스코케미칼은 2차전지 소재 생산능력 확장에도 박차를 가하고 있다. 포스코케미칼은 2018년 8월부터 광양 율촌산업단지에 대규모의 High니켈 양극재 생산단지를 조성 중으로, 차세대 배터리 소재인 NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄) 양극재 투자 확대를 통해 新Mobility시대를 준비하고 있다.
l 이차전지 소재의 핵심인 양극재 생산라인 확장에 박차
양극재는 음극재, 분리막, 전해액 등과 함께 배터리의 4대 소재로 꼽히는데 이중 핵심은 양극재다. 전체 배터리 생산원가에서 양극재가 차지하는 비중만 30~40% 수준이다. 올 초 유럽의 경우 영국의 재규어, 독일의 아우디 등이 양극재 부족으로 배터리 공급을 받지 못해 전기차 생산을 일시 중단하기도 했다.
포스코케미칼은 지난 5월 2단계 2만 5천톤 규모 양극재 생산라인 확장 준공에 이어 3개월만에 차세대 양극재인 NCMA 생산라인 투자를 발표했다. 2,895억 원을 투자해 광양공장에 연산 3만 톤 규모의 NCMA 양극재 생산라인 증설예정. 지난 8월 31일 착공식을 통해 오는 2022년 가동을 목표로 하고 있다. 증설이 완료되면 포스코케미칼의 양극재 생산능력은 現 4.4만t에서 7.4만t으로 늘어날 전망이다. 이는 60킬로와트시(kWh) 용량 전기차배터리 약 84만대에 탑재 가능한 규모다.
High니켈 양극재는 3원계 소재(NCM, NCA)로 니켈 함량을 높이면서 값비싼 코발트는 상대적으로줄이는 연구가 진행되어 왔다. 최근에는 니켈 함량이 80%를 넘어가면서 안전성, 출력 특성 확보를 위해 4원계소재 NCMA가 개발되고 있다. 포스코의 NCMA양극재는 용량과 수명이 우수한 NCM(니켈-코발트-망간)과 출력이 우수한 NCA(니켈-코발트-알루미늄)의 특성을 모두 가지고 있는 차세대 소재다.
NCM에 알루미늄(AI)을 첨가하여, 니켈이 가지고 있는 불안정성을 줄이며, 배터리 수명을 증가시켰다. NCMA 양극재는 1회 충전 시 600킬로미터(km) 이상 주행 가능한 3세대 전기차 배터리에 활용될 전망이다.
l 이차전지소재연구센터 구축과 원료투자
또한, 포스코-포스코케미칼-RIST 3사는 R&D 역량 및 인프라 결집을 통해, 지난해 6월 이차전지소재연구센터를 개관하였다. 이곳에서는 차세대 양극재, 음극재 제품개발과 포스코그룹의 2차전지 소재 원가경쟁력을 높일 수 있는 신공정을 연구하고 있다. 또한, 배터리 전문기업과 동일한 수준의 2차전지 성능평가 인프라를 구축하여, 자체 생산한 양극재·음극재로 구성된 전지를 만든 뒤, 고객들의 요구에 맞춰 다양한 평가를 수행할 수 있게 되었다.
한편, 포스코그룹은 양·음극재 원료의 안정적인 수급을 통한 사업성 제고를 위해, 원료투자에도 적극적으로 나서고 있다. 향후 2차전지 소재 원료 광물의 가격상승이 예상되는 가운데, 우리나라는 전량 수입에 의존하고 있어 안정적인 원료 확보가 필수적이다.
그동안 철광석, 석탄, 니켈 등 제철 공정에 필요한 수많은 원료와 부원료를 다뤄본 경험을 바탕으로, 해외자원개발과 투자를 통해, 양극재 원료인 리튬 외에도 양·음극재 value chain상의 여러 원료 투자를 계획 중이다. 포스코그룹은 이를 바탕으로 2차전지 소재사업을 2030년까지 세계 시장점유율 20%, 매출액 22조원 규모의 그룹 대표사업으로 육성할 계획이다.
※ 아래는 RIST(포항산업과학연구원)에서 양극재 제품 개발 총괄을 맡고 있는 남상철 양극재 연구그룹 수석연구원을 만나 나눈 포스코그룹 양극재에 대한 이야기
1. 포스코가 왜 양극재 시장을 빨리 선점해야 되는지?
→ 양극재는 리튬 2차전지의 소재들 중에서 그 시장 규모가 전체 소재 시장의 40% 가량을 차지할 뿐만 아니라 기술적 파급력 면에서 다른 그 어떤 소재보다도 높은 중요도를 가지고 있습니다. 또한 포스코가 강점을 지니고 있는 리튬, 니켈 등의 금속들이 벨류체인 상 핵심 원료이기 때문에 포스코가 다른 경쟁사들보다도 빠르게 선진사 수준에 도달할 수 있는 기회를 가질 수 있습니다.
2. 연구하는데 어려운점은?
→ 일반 commodity 제품은 KS규격과 같은 특정표준에 맞는 제품을 개발하면 다수의 고객사들에게 제품을 공급할 수 있지만, 양극재는 전지社들마다 고유의 기술노하우를 반영하여 전지를 설계하기 때문에 고객별로 요구하는 양극재 스펙이 상이합니다. 한정된 기간 내에 다양한 고객사별 맞춤형 제품을 개발해야 한다는 점이 있습니다. 전지社들과 소재 개발 초기 단계에서부터 더 밀착하여 협업을 추진해 나갈 계획입니다.
3. 포스코만의 기술적 우위(경쟁사 대비)나 목표가 있다면?
→ 고성능 양극재라 부르는 하이니켈 NCM 및 NCMA 기술에 있어서는 업계 선도 수준에 있다고 자부합니다. 양극재 기술역량을 계속 강화하여 모든 사람들이 양극재하면 포스코를 떠올릴 수 있도록 만드는 것이 목표입니다.
4. NCMA 양극재 개발 동향과 향후 계획은?
→ 전기차 주행거리를 향상시키기 위해 배터리 용량을 높여야 하는데, 이를 위해 양극재는 니켈 함량을 높여야 합니다. 그러나, 니켈 함량이 일정 수준이상으로 높아지면 소재의 안정성이 저하되기 때문에 최근에는 NCM양극재에 Al(알루미늄)을 첨가한 NCMA 양극재를 개발하여 고용량과 고안전성을 동시에 구현하고 있습니다. 포스코는 니켈 함량 80%이상 NCMA 양극재 기술을 이미 확보하였고, NCMA소재가 향후 고성능 전기차용 양극재로 자리매김할 것에 대비하여 지속적인 성능 개선 연구를 진행할 계획입니다.
‘제2의 반도체’라고 불리며 대한민국의 미래 먹거리로 각광받고 있는 전기차 배터리산업! 그 핵심소재인 양극재 시장의 주도권을 잡기 위해 포스코그룹은 오늘도 빠르게 움직이고 있다.
포스코케미칼, ‘하이니켈·단입자 양극재’ 차세대 소재기술 공개
포스코케미칼 부스 사진. 출처=포스코케미칼
[이코노믹리뷰=김보배 기자] 포스코케미칼이 오는 19일까지 서울 코엑스에서 열리는 ‘인터배터리 2022’에 참가해 독보적인 배터리 소재 기술 경쟁력을 선보인다고 17일 밝혔다.포스코케미칼은 이번 전시의 주제를 ‘The New Chapter for Green Tomorrow(녹색 미래를 위해 열어가는 새로운 시대)’로 정하고, 225㎡ 규모의 전시장에서 미래 모빌리티를 위한 배터리 핵심소재 제품과 혁신기술을 소개한다.
포스코케미칼은 전기차 주행거리 증대와 안정성 향상을 위해 개발한 단입자 양극재를 비롯해 니켈 함량을 극대화한 N96 하이니켈 제품까지 다양한 차세대 기술을 전시한다.
단입자 양극재는 니켈, 코발트, 망간 등 여러 원료를 하나의 입자구조(single-crystal)로 결합해 강도와 열안정성을 높여 배터리 사용수명을 늘린 소재다. 포스코케미칼은 완성차사 및 배터리사의 요청과 세부 스펙에 맞춰 다양한 하이니켈 단입자 양극재의 개발을 완료하고 양산을 추진하고 있다.
전고체전지용 양극재, 리튬메탈 음극재, 전해질 등 포스코그룹이 연구 역량을 결집해 개발하고 있는 중장기 기술 로드맵도 공개한다. 전고체 배터리는 기존의 액체 상태의 전해액 대신 고체 전해질을 활용해 안전성과 에너지밀도를 높인 차세대 배터리다. 에너지 저장용량과 충전속도를 높이기 위한 천연·인조·저팽창·실리콘 등의 음극재 포트폴리오도 전시한다.
아울러 배터리 산업에서 중요성이 커지고 있는 ESG 경영과 원료 밸류체인 구축의 성과도 소개한다.
글로벌 배터리소재 선도기업으로서 추진 중인 ESG 경영을 차별화된 경쟁력으로 부각하기 위해 전시부스 중앙에 ESG Plan Zone을 설치하고 양·음극재 공장의 태양광발전 패널 설치를 통한 재생에너지 사용 확대와 음극재 공장의 흑연분 자원 재활용 등의 환경경영 성과를 공개한다.
민경준 포스코케미칼 사장은 “차세대 소재기술 및 원료 밸류체인 경쟁력, 재생에너지 사용과 자원 재활용을 활성화하는 ESG 경영으로 글로벌 톱티어 경쟁력을 완성해 나가겠다”고 말했다.
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