최근 청라에서 발생한 벤츠 전기차 화재에서 NCM811이라는 삼원계 배터리가 유명해졌는데요.
오늘은 이 배터리에 대해서 잠깐 알아보도록 하겠습니다.
삼원계 배터리란?
1.리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막 등으로 구성되어 있음 이 중 니켈·코발트·망간 등 세 가지 물질을 섞어서 양극재를 만들면 삼원계 배터리, 리튬인산철을 쓰면 LFP(리튬인산철 계열) 배터리로 불리게 됩니다.
2..기본적으로 리튬이온 배터리에 양극재에는 리튬이 사용되고, 다만 리튬은 워낙 불안정한 물질이기 때문에 다른 금속과 결합한 리튬 산화물 형태로 존재하게 됩니다. 양극재로사용되는 리튬코발트에 니켈과 다른 원소가 들어가서 3개의 원소가 들어간 것을 삼원계 배터리라고 합니다.
3. 통상 삼원계(NCM) 배터리는 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%의 비율로 원료를 섞는데, 이 때 니켈은 에너지 밀도에 관련이 있고, 코발트와 망간은 안전성, 알루미늄은 출력에 관여하게 됩니다.
4. 기본적으로 NCM의 정확한 표기법은 LNCMO이고, 리튬코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈(Ni), 망간(Mn)이 결합되어 있으며, 부르기 쉽게 NCM이라고 부르는 것입니다.
5. 기본적으로 니켈, 코발트, 망간이 1:1:1 비율로 균일하게 구성되어 있어 안정성을 가지게 만들며, 주로 전기차 양극재로 쓰이고 있음
6. 하지만 예전 메모리에서도 SLC- MLC – TLC로 점점 원가절감을 하듯, 최근 치솟는 원자재 가격 변동에 대응할 수 있도록 에너지 밀도를 높이고 가격이 싼 니켈의 함량을 더 높이고, 가격이 비싼 코발트 함량은 줄인
‘NCM 712’, ‘NCM 811’ 등이 개발되고 있음
※ 이때 여기서 니켈 비율이 60%가 넘으면 ‘하이니켈’이라고 불림
7. 이번 벤츠에 들어간 NCM에서도 가격을 저렴하게 하기 위해 무려 니켈이 80%나 첨가된 NCM811이 탑재되었음. 이 배터리는 에너지 밀도는 높으나 비상식적으로 니켈비율을 높인 배터리로 안정성이 항상 의문인 상황이고 사고도 정말 자주 나는 제품임.
8. 다만 기존에 사용하던 NCM622대비, 811이 도입되면서 에너지 밀도가 180mAh/g에서 205mAh/g로 높아지고, 이론적으론 용량이 13% 늘어나기 때문에 가격도 싸면서 주행거리도 뻥튀기할 수 있는 방법으로 이용되고 있음
9. 반대로 에너지밀도가 낮은 코발트 대신 인산철을 사용한 배터리는 LFP라고 하는데요. 비싼 코발트 대신 싼 인산철을 넣으면서 저렴한 가격이 단점입니다.
10. LFP의 경우 올리빈 구조로 인하여 안정적이라는 장점이 있고, 과충전 과방전에 따른 화재위험도 낮습니다. 다만 에너지밀도가 낮기 때문에 주행거리가 짧아진다는 단점이 있습니다.
11. 최근에는 LFP도 기술 발전을 많이 해서 에너지밀도를 많이 높이고 있습니다.
12. 다만 궁극적으로 안정성을 높이기 위해서는 불안정한 액체 전해질보다는 확실히 고체로 막을 수 있는 전고체 배터리가 희망으로 여겨지고 있습니다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말합니다. ‘우수한 안전성’, ‘높은 에너지 밀도’, ‘고출력’, ‘넓은 사용온도’, ‘단순한 전지 구조’라 말할 수 있습니다.
13. 고체이기 때문에 폭발의 위험에서도 자유롭고, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아 관련 부품 수를 줄일 수 있습니다. 이에 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 용량을 높여야 하는 전기차용 배터리로 각광받고 있습니다.
14. 하지만 전해질의 본질적인 기능은 ‘리튬 이온의 이동수단’입니다. 안정성도 중요하지만, 무엇보다 리튬이온이 원활하게 이동하도록 ‘이온전도도’가 높아야 하지만 전해질이 고체인 관계로 전극과 전해질의 밀착성이 떨어져 불연속 계면을 형성하게 되고, 배터리 성능을 저하시키는 내부의 저항이 증가해서 이온전도도가 낮습니다.
15. 오늘은 기본적으로 배터리에 대해서 알아보았는데요. 앞으로 이런 불행한 사건이 더 일어나지 않았으면 좋겠습니다.