전기車 배터리 '가격↓·용량 16%↑' 소재 개발

울산과학기술원 교내 벤처, 코발트 함량 1% 미만 니켈 98% 양극재 최초 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 전기차 배터리 가격을 대폭 낮추고 용량은 16% 늘릴 수 있는 소재를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 조재필 에너지화학공학과 특훈교수가 창업한 교내 벤처 '에스엠랩(SMLAB)'이 비싼 코발트(Co) 함량은 1% 미만으로 줄이고, 니켈(Ni) 함량을 98%까지 끌어올린 전기차 배터리용 양극재를 개발했다고 18일 밝혔다.

니켈(Ni) 함량은 배터리 용량을 좌우하는 요소로, 함량을 98%까지 높인 양극재 개발은 처음이다. 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) 증가한다.

조 교수는 "전기차용 배터리에 일반적으로 사용되는 양극재의 양이 100kg인 점을 고려하면, 1600Ah(암페어 시)만큼의 용량이 늘어나 주행거리도 늘어난다"면서 "실제로 Ni98 양극재를 적용한 배터리 셀의 구현용량은 230Ah/kg이 될 것"이라고 설명했다.

배터리 용량이 늘어나면 수명 및 안정성은 줄어들 수 있는데, 에스엠랩은 ‘세라믹 계열의 신규 코팅 물질’을 적용해 이를 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. 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. 에스엠랩은 ‘단결정 형태’로 양극재를 만들어 이런 문제를 확연히 줄였다.

새로 개발한 Ni98 NCMA 단결정 소재는 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 “2년 앞서 니켈 함량 98% 양극재 개발에 성공했고 2022년 초에 양산 검증을 계획하고 있다”고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr