▲ 기존 공침법으로 합성한 다결정 및 단결정 양극 소재. 압연 후 다결정 소재는 입자가 붕괴돼 전해액 분해 반응을 가속화하고 가스를 발생시킨다. 반면, 단결정은 입자 붕괴 현상을 최소화해 가스 발생과 불필요한 반응이 억제된다.(자료제공=UNIST)  © 특허뉴스

전기차 배터리 가격의 40%는 비싼 코발트가 들어간 양극재가 차지한다. 가격을 낮추려면 코발트를 적게 쓰면서도 용량은 커야 하는데, UNIST 교원창업기업에서 최적의 대안을 제시했다. ‘하이-니켈계 끝판왕’으로 기대되는 ‘Ni98 NCMA (NiCoMnAl) 단결정 소재’다.

UNIST 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수가 창업한 에스엠랩(SMLAB)에서 비싼 코발트(Co) 함량은 1% 미만으로 줄이고, 니켈(Ni) 함량을 98%까지 끌어올린 전기차 배터리용 양극재를 개발했다. 니켈(Ni) 함량은 배터리 용량을 좌우하는 요소로, 함량을 98%까지 높인 양극재 개발은 이번에 처음 보고됐다.

니켈 함량이 80% 이상인 양극재(NCM, NCA)는 흔히 ‘하이-니켈 소재’라 불린다. 비싼 코발트 사용을 최소화하면서 높은 용량을 발현하므로 배터리 업계에서 주목받았다. 핵심 기술은 니켈 함량을 최대로 높여 주행거리를 늘리면서 수명 특성을 개선하는 것인데, 에스엠랩에서는 니켈 함량을 98%까지 높인 것이다.

일반적으로 니켈 함량이 1% 늘어나면 소재 1kg당 용량은 2Ah(암페어 시)가 증가한다. 니켈 함량을 90%에서 98%로 높이면 용량이 16Ah(암페어 시) 증가하는 효과를 볼 수 있는 것이다.

에스엠랩의 CEO인 조재필 UNIST 특훈교수는 “전기차용 배터리에 일반적으로 사용되는 양극재의 양이 100kg인 점을 고려하면, 1600Ah(암페어 시)만큼의 용량이 늘어나 주행거리 증대로 이어지는 것”이라며 “실제로 Ni98 양극재를 적용한 배터리 셀의 구현용량은 230Ah/kg”라고 설명했다.

배터리 용량이 늘어나면 수명 및 안정성은 줄어들 수 있다. 에스엠랩에서는 이 부분을 ‘세라믹 계열의 신규 코팅 물질’을 적용해 개선했다.

현재 상용화 중인 하이-니켈 소재의 니켈 함량은 88~90% 정도이며, 양극재를 합성할 때 소재 표면에 남아있는 리튬 불순물을 물로 씻어서 제거하는 공정(수세 공정)을 거쳐야 한다. 하지만 세척 과정에서 다량의 원소가 물에 녹아 양산 품질을 확보하지 못한다. ‘2021 더 배터리 컨퍼런스’에서 국내 배터리 제조사 3곳이 이론적으로 양산 가능한 최대 니켈 함량을 94%로 제시하고도 아직 개발하지 못한 이유가 여기에 있다.

또 다른 문제점은 현재 상용 양극재들이 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’라는 데 있다. 다결정 소재는 배터리 재료를 제조하는 공정인 압연 시 쉽게 부서진다. 압연은 양극소재가 코팅된 알루미늄판를 회전하는 롤(roll) 사이로 통과시켜 일정한 두께의 판으로 만드는 과정인데, 다결정 소재는 이 과정을 거치며 깨져서 배터리 내에서 불필요한 반응을 촉진한다. 이때 가스 발생이 늘고, 충‧방전 주기에도 영향을 주므로 수명이 감소하는 것이다. 에스엠랩에서는 ‘단결정 형태’로 양극재를 만들어 이런 문제를 확연히 줄였다.

▲ Ni98% NCMA 소재의 주사전자현미경 사진(그림제공=UNIST)  © 특허뉴스

새로 개발한 Ni98 NCMA 단결정 소재(그림3)는 가장 비싼 성분인 코발트 함량이 1% 미만이라 단가 경쟁에서도 유리하다. 보통 니켈 함량 90%(Ni90) 양극재는 코발트를 5% 이상 사용해 가격을 높이기 때문이다.

조 교수는 “에스엠랩은 경쟁사 대비 2년 앞서 니켈 함량 98% 양극재 개발에 성공한 것”이라고 의미를 부여하며 “2022년 초에 양산 검증을 계획하고 있다”고 밝혔다.

한편, 에스엠랩은 2018년 7월 설립된 스타트업으로 니켈 함량 83% 이상의 NCM(A) 및 NCA를 수세 공정 없이 단결정 형태로 양산화하는 기술을 보유하고 있다. 23년 7월까지 이 단결정 양극재 생산량을 현행 7200톤에서 21,600톤까지 늘릴 계획이다. 에스엠랩의 누적 투자유치금은 640억 원에 이른다.