전기차 기업들이 1회 충전시 주행거리가 긴 차량 생산에 나서면서 전구체 업계 트렌드가 바뀌고 있다. '고성능·고밀도'의 배터리가 요구되면서 30% 대를 유지하던 니켈 비중은 점차 늘어나 90%까지 높아지는 추세다. 또한 전구체 기업들은 입자의 크기는 작게, 다결정보다는 단결정으로 기술개발 트렌드도 변화하고 있다. ‘하이니켈·소입경·단결정’이라는 세 가지 요소가 전구체 개발의 새로운 좌표가 되고 있다는 분석이다.

16일 업계에 따르면 전구체 기업들은 ‘하이니켈·소입경·단결정’ 위주 전구체 개발 및 양산에 주력하고 있다. 과거 충전을 통해 재사용이 가능한 배터리(이차전지)가 IT 기기를 넘어 전기차에 적용되기 시작하며 배터리 제조사들이 에너지밀도와 수명이 좋으면서 안정적인 제품을 요구하고 있기 때문이다. 또한, 1회 충전시 주행 거리가 높은 전기차를 생산하기 위한 움직임도 영향을 미쳤다. 

전구체는 양극재의 원료가 되는 물질이다. 어떤 원료를 사용하느냐에 따라 양극재의 성능과 용도가 결정된다. 삼원계 배터리를 만들기 위해서는 전구체에 니켈, 망간, 코발트 등의 원재료가 필요하다. 이를 섞은 후 ‘공침법’을 통해 제품을 생산한다. 공침법은 금속들을 용해해 용액을 만든 후 침전된 물질을 세척하고 건조시켜 전구체를 만드는 방법이다.

이 과정에서 전구체는 ▲니켈의 비중 ▲결정의 질 ▲입자의 크기 등을 중심으로 연구 및 개발되어 왔다.

특히, 원료 중 하나인 니켈은 에너지 밀도를 좌우한다. 에너지 밀도가 높을수록 1회 충전시 주행가능한 거리도 늘어난다. 전기차 기업들은 1회 충전시 주행 거리 700km 이상으로 넘기위해 고용량 배터리를 요구하고 있다. 이에 니켈은 30% 낮은 비중에서 미드니켈인 60%까지 한차례 높아진 후 80% 하이니켈 NCM 전구체 혹은 90% 이상의 NCM9½½ 전구체 등의 형태로 나타나고 있다.

고용량·고성능 배터리 개발에 따라 다결정에서 단결정으로 결정의 질도 달라졌다. 다결정은 내부 기공이 많으며 배터리 생산 공정 중 프레스 공정에서 입자가 깨져 부산물이 발생하는 등 에너지 밀도를 떨어뜨린다. 반면, 단결정 구조는 내부 기공이 적고, 열안정성이 다결정보다 약 10℃ 높아 충·방전을 반복해도 크랙 현상이 발생하지 않아 안정적이고 긴 배터리 수명에 도움이 된다.

입자의 크기도 소입경으로 작아졌다. 소입경은 5㎛(마이크로미터) 이하의 크기로 구성됐다. 입자의 크기가 작아 입자 간 접촉면적이 늘어나 반응이 많이 일어나며 높은 에너지 저장능력을 갖췄으나 가격이 비싼 편이다. 대입경은 10~20㎛ 크기로 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 업계에서는 가격 문제로 인해 대립경과 소립경을 혼합하는 형태로 사용하고 있다.

망간리치 등 차세대 배터리를 위한 전구체 개발도 한창이다. 망간리치는 LFP 배터리를 대응할 수 있는 저가 배터리 종류 중 하나다. 기존 NCM(삼원계)에서 니켈과 코발트를 제외하고 리튬과 망간 함량을 높인 배터리다. 전구체 기업들은 이를 위해 OLO 전구체를 개발 중이다. 코발트 비중을 낮춰 원가 절감이 가능하며 화재 위험성이 높은 니켈이 제외돼 높은 안정성을 확보할 수 있다.

이와 관련, 에코프로머트리얼즈는 NCM½½ 전구체를 개발완료 했다. 현재 연간 5만톤의 생산능력을 오는 2027년 21만톤으로 확대할 예정이며 지난 2월 전구체 신규시설 투자를 위해 9573억원을 투자했다.

에코앤드림은 니켈 비중 80% 이상의 하이니켈 전구체를 양산하고 있다. 글로벌 양극재 기업과 ‘전기차용 하이니켈 NCM 전구체 공급계약을 체결하고 지난 1월 공급을 시작했다. 2025년 전구체 생산능력 3만5000톤을 목표로 새만금에 공장을 건설하고 있다.

전구체 내재화를 추진 중인 포스코퓨처엠은 중국 CNGR과 합작법인 ‘씨앤피신소재테크놀로지 주식회사’를 설립한다. 합작법인은 2026년 양산을 목표로 포항에 전구체 공장을 설립한다. 연간 생산능력은 11만톤으로 추정된다.

디일렉=이민조 기자 [email protected]
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