- 단결정 구조로 내구성 강화

[디지털데일리 김도현 기자] 국내 연구진이 하이니켈 양극재의 새 기준을 제시했다. 니켈 함량 한계를 94%에서 98%로 높였다.

18일 에스엠랩은 니켈 함량 98% 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA) 양극재를 개발했다고 밝혔다. 코발트 함량은 1% 미만으로 줄였다.

양극재는 배터리 원가의 40% 차지하는 핵심 소재다. 니켈이 많을수록 에너지밀도가 높아져 용량을 늘릴 수 있다. 최근 배터리 업계는 니켈 함량 80% 이상 하이니켈 제품을 연이어 개발 및 생산 중이다.

일반적으로 니켈 함량이 1% 늘어나면 소재 1킬로그램(kg)당 용량은 2암페어시(Ah)가 증가한다. 니켈 함량을 90%에서 98%로 높이면 용량이 16Ah 오르는 효과를 볼 수 있다는 의미다.

다만 니켈을 무작정 늘릴 경우 안전성 이슈가 발생할 수 있다. 현재 상용화한 하이니켈 양극재의 니켈 함량은 88~90% 수준이다. 양극재를 합성할 때 소재 표면에 남아있는 리튬 불순물을 물로 씻어서 제거하는 공정을 거쳐야 한다. 이 과정에서 다량의 원소가 물에 녹아 양산 품질을 확보하지 못한다는 문제가 있다.
에스엠랩은 접근법을 달리했다. 이 회사는 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 창업한 업체다. 에스엠랩은 수명 및 안정성 향상을 위해 세라믹 계열의 신규 코팅 물질을 적용했다.

기존 양극재는 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’라는 한계도 있다. 다결정 소재는 배터리 재료를 제조하는 공정인 압연 시 쉽게 부서진다. 압연은 양극소재가 코팅된 알루미늄판를 회전하는 롤 사이로 통과시켜 일정한 두께의 판으로 만드는 과정이다.

다결정 소재는 이 과정에서 깨져 배터리 내에서 불필요한 반응을 촉진한다. 가스 발생이 늘고 충‧방전 주기에도 영향을 주게 된다. 에스엠랩은 단결정 형태로 양극재를 만들어 관련 문제를 해결했다.

새로 개발한 Ni98 NCMA 단결정 소재는 가장 비싼 성분인 코발트 함량이 1% 미만이라 단가 경쟁에서도 유리하다. 보통 니켈 함량 90% 양극재는 코발트를 5% 이상 사용해 가격이 높다.

조 교수는 “에스엠랩은 경쟁사 대비 2년 앞서 니켈 함량 98% 양극재 개발에 성공했다”면서 “2022년 초에 양산 검증에 돌입하고 하반기 양산을 계획 중”이라고 말했다.

한편 에스엠랩은 2018년 7월 설립 이후 투자유치금 640억원을 누적했다. 단결정 양극재 생산량을 현재 7200톤에서 오는 2023년 7월 2만1600만톤까지 확장할 방침이다.