LCO 양극재

최초의 양극재인 리튬코발트산화물(LiCoO₂, LCO)은 제조가 쉽고 안정성이 높으며, 수명도 긴 편이었다. 문제는 코발트*에 있었다. 코발트는 리튬보다 더 희소한 광물. 단가가 높고, 공급이 원활하지 않으며, 채굴 과정에서 우려사항이 많았다. 또한 다가오는 전기차 시대를 대비하기엔 용량과 안정성 면에서 다른 고려가 필요했다.

NCM 양극재

전기자동차에 탑재할 2차 전지는 더 큰 에너지밀도와 안정성을 필요로 했다. LCO 양극재로는 한계에 부딪힐 수밖에 없었다. LG화학은 기존 LCO 양극재에 니켈과 망가니즈를 추가하는 방법을 연구했다. 에너지 밀도와 안정성을 확보하면서 코발트 비중을 줄일 수 있는 방법이었다. 니켈의 함량을 늘려 에너지 밀도를 높이는 것은 상당한 기술력이 필요했지만, LG화학은 축적된 화학 소재 기술력으로 NCM 양극재 개발에 성공할 수 있었다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)의 앞 글자를 따온 NCM 양극재는 LCO 양극재와 동일한 층상 구조 지만, 니켈과 망가니즈를 추가함으로써 더 강하고 더 오래 가는 2차 전지를 만들 수 있게 됐다.

NCMA 양극재

LG화학은 여기에 안주하지 않고 한 차원 더 진화된 양극재를 생산해냈다. 니켈 비중을 높이면 에너지 밀도는 높아지지만, 안정성을 높여주는 코발트와 망간 비중이 상대적으로 감소하기에 배터리 수명도 줄어든다는 점을 극복하기 위해서다. 그 결과물이 NCM에서 알루미늄(Al)을 추가한 사원계 양극재 NCMA이다. 안정성과 배터리 출력에 관여하는 알루미늄을 결합함으로써 코발트 함량을 줄여 원가를 낮추는 한편, 니켈 함량을 80% 이상 높여 효율을 극대화했다. 덕분에 주행거리와 고출력, 안정성까지 개선된 고성능 전기차 배터리의 핵심 소재가 되었다.

2023년, LG화학은 니켈 함량을 80% 이상으로 끌어올린 하이니켈(Hi-Nickel) 단입자 양극재를 국내 최초 양산하며 또 한 번의 진화를 거듭했다. 여러 개의 금속 입자들을 작게 뭉쳐 만든 다입자 (다결정) 구조의 양극재와 달리, 단입자 양극재는 니켈, 코발트, 망간 등 여러 금속을 하나의 입자 형상(One-body)으로 만든 소재를 말한다. 내구성이 뛰어난 단입자 양극재를 사용하면 가스 발생이 줄어들어 안정성이 높아지고, 배터리 수명도 30% 이상 향상된다. 배터리의 안전성과 수명이 전기차 보급의 핵심 과제로 떠오르는 만큼, 단입자 양극재는 기존 배터리의 한계를 보완할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

양극재의 진화로 더 강하고, 더 오래 가고,
더 안전한 배터리가 완성된다