전기차용 고성능 배터리의 니켈계 양극소재 기술

전기차용 고성능 배터리의 니켈계 양극소재 기술

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목차

1. 전기차 배터리용 고용량 양극소재 필요성

2. 니켈계 양극소재 기술개발 방향성

3. 결론 및 시사점

 

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1. 전기차 배터리용 고용량 양극소재 필요성

전기차 배터리의 고성능화

리튬이차전지는 모바일 IT 분야의 성공적인 채택을 시작으로, 현재 전기차용 배터리에 이르기까지 그 적용 영역을 급격히 확대하고 있음

 

리튬이차전지용 양극소재는 모바일 IT 분야에는 100% 코발트가 사용되는 LiCoO2 양극소재가 사용되며, 전기차용 배터리에는 전지 안전성, 성능, 가격 등을 전반적으로 고려하여 니켈코발트망간계(NCM) 또는 니켈코발트알루미늄계(NCA) 등 혼합계 양극소재가 주로 사용되고 있음

 

 

자동차 배터리용 양극소재는 니켈코발트망간 비율이 1:1:1인 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111) 양극소재가 처음으로 하이브리드전기차(HEV)에 채택된 이후로, 지속적인 자동차사의 요구에 의해 니켈의 함량이 증가하는 방향으로 개발이 진행되어 왔음

 

현재 실제 운행되는 전기차는 일 충전 후 주행거리가 400km 수준에 달하고 있는데, 이는 제조사마다 차이는 있지만 대략 니켈 비율 60% 수준의 니켈코발트망간계 양극소재, 즉 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622 소재)가 사용되고 있으며, 최근 개발이 완료되어 수년 뒤 실제 전기차에서 사용될 니켈 비율 80%의 양극소재 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811 소재)는 일 충전 후 주행거리가 최소 600km 이상이 될 것으로 예상되고 있음

고용량화에 따른 수명, 안전성에서의 문제점 대두

니켈의 함량이 33%에서 80%까지 증가하는 경우, 양극소재의 가용 용량을 25% 가량 증가시킬 수 있어, 전기차용 배터리의 에너지밀도 향상의 핵심 테마로 자리잡고 있으나, 양극소재 특성상 니켈 함량의 증가는 구조적인, 화학적인 불안정성 증가로 인해 수명 및 안전성 측면에서의 문제 해결이 중요한 기술로 부각되었음

특히 다양한 성능 열화 중, 지속적인 충방전에 의한 부피 변화의 결과로, 이차입자로 구성된 양극소재는 충방전시 발생하는 부피 변화에 따른 균열 형성으로 인하여 양극활물질의 표면적이 충방전 과정 중 지속적으로 넓어지고, 최종적으로는 고온에서의 전해질 부반응이 넓어진 양극 표면적에 따라 증가하기에 양극 계면이 퇴화하여 전지의 가용 용량 및 출력 특성의 급격한 열화가 발생함

 

 

또한 니켈 함량 증가로 인해 구조적인 불안정성이 확대되는 결과물로 합성 원재료인 리튬원료가 반응이 완결되지 못하고 부반응물로 Li2O, Li2CO3, LiOH 등 잔존 리튬의 형태로 존재하게 되는데, 이러한 부반응물로 인한 성능 감소가 발생하고 있음

따라서 이러한 성능 열화를 억제하기 위해 니켈 함량이 증가함에 따라 필수적으로 양극소재를 제조한 이후에 잔존하는 리튬화합물을 제거하기 위한 수세공정을 필수적으로 진행하며, 추가적으로 전해액과의 부반응을 억제하기 위해 양극소재 표면을 금속산화물로 코팅하여 양극소재의 성능을 효과적으로 제어하고 있음

 

 

 

2. 니켈계 양극소재 기술개발 방향성

니켈계 양극소재의 기술개발은 크게 두 가지 측면에서의 제품 개발이 가속화되고 있는데, 첫째로는 수요산업의 요구로 인해 가용용량을 극한에 다다를 수 있는 수준으로 끌어올리기 위해 니켈 함량을 90% 이상 확장하고 있으며, 두 번째로는 그럼에도 불구하고 전지 수명 및 안전성 확보를 위해 기존 방식과는 다른 입자 형상 제어기술 도입을 시도하고 있음

 

니켈 함량의 지속적인 증가

니켈계 양극소재는 지금까지 니켈 함량 33%에서 시작하여, 2021년 현재 90% 수준의 제품의 전지 실제 적용 테스트가 진행되고 있으며, 양극소재 기업에서는 이를 95% 이상 극대화하려는 제품 개발이 진행 중임

 

그러나 니켈 함량이 100%에 근접함에 따라 앞서 언급한 다양한 성능 열화가 급격히 가속화되기 때문에, 이를 해결하기 위한 다양한 연구개발이 필요한 상황이며, 특히 이와 동시에 수요기업에서 요구하는 가격 절감 등의 이슈에도 효율적으로 대응하기 위해 코발트 함량의 최소화 기술도 병행 중에 있음

 

입자 제어를 통한 기능성의 확장

니켈계 양극소재의 다양한 성능 열화 중 하나는 지속적인 충방전에 의한 부피변화의 결과로 일차입자간 결합이 파괴되는 문제이며, 이의 해결을 위해 최근 우리나라 및 중국에서는 니켈계 양극소재의 입자 형상을 기존 형태에서 예전 모바일 IT용 양극재인 코발트계 양극재 LiCoO2의 형태로 합성하는 기술을 확보하고 일부 시제품을 출시하고 있음

중국에서 먼저 제품이 출시된 입자제어형 양극소재는 일차 열처리한 양극소재를 제트밀 등을 이용하여 과분쇄하여, 일차입자간 결합을 미리 다 떼어낸 뒤, 이차 열처리를 통해 만드는 방식으로 과분쇄 시 발생하는 미분만큼의 낮은 수율의 문제와, 많은 에너지를 사용하기 때문에 제품 단가가 올라간다는 단점이 있음

 

따라서 최근에는 이러한 방식 이외에, 잘 설계된 특수 전구체의 사용, 일차 또는 이차 열처리 시 일차입자 성장은 촉진하고, 일차입자간 결합은 방해할 수 있는 첨가제 도입 등의 기술로 높은 수율 및 가격경쟁력 확보가 가능한 기능성 입자제어형 양극재 제조기술 개발에 집중하고 있음

 

3. 결론 및 시사점

전기차용 고성능 배터리 시장은 전고체전지 등 차세대전지 적용 시점에 많은 관심이 집중된 것이 사실이나, 이차전지의 특성상 새로운 전지시스템이 실제 수요산업에 적용되기 위해서는 많은 시간이 필요한 것 또한 사실임

 

최소한 10년 이상의 전기차용 고성능 배터리에는 니켈계 양극소재가 적용된 배터리가 주류를 점할 것으로 예상되며, 최근 도요타 및 현대자동차에서 집중하여 연구개발하고 있는 전고체전지에도 양극소재는 현재 니켈계 양극소재 등 기존의 상용 리튬이차전지용 양극소재를 적용할 것이기 때문에 니켈계 양극소재의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않음

 

기술적인 측면에서는 니켈 함량 극대화를 통한 가용용량의 향상, 그리고 장기 수명특성 및 고온 안정성 확보를 위한 입자형상 제어기술의 두 가지 측면에서의 지속적인 기술개발이 필요하며, 특히 향후 전고체전지용 소재부품 기술 확보를 위해서는 전고체전지 특화형 니켈계 양극소재 개발에도 관심을 가질 필요가 있음

 

산업적으로는 대부분 수입에 의존하는 리튬, 니켈, 코발트 등의 원료 수급의 안정화를 위한 범국가적 차원에서의 대책이 요구되며, 최근 EU에서 제안하기 시작하는 이차전지 제조에서의 친환경화, 탄소저감 요구에 의한 선제적 대응 방안 발굴이 필요함

 

이차전지 제조공정에 있어서 가장 탄소배출이 높은 부분이 이차전지 양극소재 제조에 들어가는 원료 채굴과정, 전구체 제조공정, 고온의 양극소재 열처리 공정에 의한 것이기 때문에 이의 해결을 위해 양극소재 기업도 친환경 에너지원을 통한 제조가 가능한 시스템 구축을 준비하여야 함

 

니켈계 양극소재의 중요성이 갈수록 강조됨에 따라 산업부에서는 ’21년 소재부품기술개발사업에서 패키지형 과제로서, 앞서 언급한 기술의 고도화를 위해서 3년간의 연구기간에 정부출연금 90억원 지원을 진행 중에 있음

 

 

 

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출처 : keit pd 이슈리포트