순수 단결정 여부 살펴봐야
전기차 배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있는 '단결정' 구조의 양극재 양산을 두고 기업 간 경쟁이 본격화될 전망이다.
올해 상용화에 나서는 LG화학을 비롯해 에코프로비엠, 엘앤에프가 대량 양산 준비에 나선 상태다. 다만 양산 시점, 순수 단결정 여부, 다결정 양극재와의 혼합 비율 등을 복합적으로 고려할 필요가 있다.
12일 업계에 따르면 엘앤에프는 내년 단결정 양극재 양산에 나선다. 회사 측은 양극재 업체 가운데 가장 빠르다고 주장한다. 상용화는 LG화학이 먼저다. 이 회사는 올해 고객사에 단결정 양극재를 공급할 계획이다. 다른 양극재 업체인 에코프로비엠도 양산 시점을 조율 중이다.
양극재는 배터리 원가의 약 40%를 차지하는 핵심소재다. 그간 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량을 높이고, 원가절감과 윤리적 광물 채굴 문제 해결을 위해 코발트는 적게 사용하는 방향으로 양극재가 쓰였다.
현재 상용화된 전기차에 적용된 배터리 양극재는 여러 개의 금속 소재가 모인 다결정 구조다. 충전과 방전이 반복될수록 소재 사이의 틈이 커진다. 배터리 수명이 급속히 떨어진다. 단결정은 입자가 부서지지 않아 이런 문제가 없다.
다만 추가 공정이 필요하고 작동 전압이 커서 배터리 온도가 상승할 수 있다. 양극과 음극을 만드는 전극공정의 일부인 롤프레스(압연) 과정에서 단결정 입자가 손상될 수 있다. 이 때문에 양산 초기에는 순수한 단결정이 아니라 다결정과 섞어서 생산이 이뤄질 것으로 보인다. 니켈 함량을 높인 하이니켈 양극재도 60~90% 사이의 니켈 소재를 섞어서 쓴다. 배합비율은 비공개다.
엘앤에프는 10% 가량 단결정 양극재를 섞어서 공급할 계획이다. 단결정 양극재 비중은 배터리 셀 업체가 결정한다. 단계적으로 배합비율을 높일 것으로 보인다.
업계는 단결정을 만드는 것도 중요하지만, 내구성 확보를 위한 코팅 기술에서 성능과 품질이 판가름될 것으로 전망한다. 입자 크기를 키우면서 표면 처리를 어떻게 할 것인지가 핵심이다. 이 과정은 높은 온도의 소성(열로 서로 다른 물질을 섞는 작업) 공정이 필요하다. 온도가 높아지면 양극재 표면에 불량이 많이 나온다. 이를 얼마나 잘 제어하느냐가 관건이다.
리튬인산철(LFP) 배터리용 양극재 개발도 눈여겨 볼 부분이다. 마찬가지로 주요 양극재 기업이 모두 개발을 진행 중이다. 상용화 시점은 2025년 정도로 예상된다.
디일렉=이수환 기자 [email protected]
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