K-배터리 미래…'하이니켈'로 선두 굳히고 '전고체' 준비
(차세대 배터리를 잡아라)②올 상반기 배터리 3사 R&D 비용 '1조'
핵심은 '고성능 저비용'…양극재 연구 한창
전고체 배터리 등 미래 기술 준비도
입력 : 2020-09-28 06:05:00 수정 : 2020-09-28 06:05:00
[뉴스토마토 최승원 기자] 전 세계적으로 전기차 열풍이 불면서 국내 배터리 3사의 기술 경쟁도 뜨겁다. 각사의 '시그니처 배터리' 출시 또한 1~2년 앞으로 다가온 가운데 전고체 배터리 등의 미래 배터리 연구도 동시에 진행 중이다.
 
27일 배터리 업계와 금융감독원 전자공시에 따르면 국내 배터리 3사의 올 상반기 연구·개발(R&D) 비용은 총 1조803억원으로, 지난해 같은 기간(9922억원) 대비 8.8% 증가했다. LG화학이 5434억원으로 가장 많았고 삼성SDI와 SK이노베이션이 각각 4091억원·1278억원을 기록했다. 코로나19 여파로 인한 수요 위축에도 불구하고 3사는 역대 최대 규모의 비용을 배터리 기술 개발에 쏟으며 전기차 상용화를 앞당기고 있다.
 
전 세계적으로 전기차 열풍이 불면서 국내 배터리 3사의 기술 경쟁도 뜨겁다. 사진은 기아자동차가 2027년 출시할 전용 전기차 7대 스케치 이미지. 사진/뉴시스
 
배터리사들이 이토록 R&D에 매달리는 이유는 배터리 핵심소재 중 하나인 양극재 때문이다. 양극재는 배터리의 에너지 밀도와 수명에 가장 큰 영향을 끼치는 요소인데, 전기차 생산 단가의 최대 25%를 차지한다. 
 
양극재 중에서도 핵심은 니켈과 코발트다. 니켈은 배터리의 에너지 밀도와 비례하지만 동시에 과열을 유발해 안정성 문제가 수반된다. 코발트는 배터리의 출력과 안정성을 높이지만 '하얀 석유'라 불릴 만큼 가격이 비싼 편이다. 이에 배터리사들은 니켈 함량을 높이고 코발트는 낮추면서도 안정성을 챙기기 위한 개발이 한창이다.
 
2년 내로 나올 3사의 '시그니처 하이니켈'
 
LG화학은 내년 하반기에 'NCMA' 배터리 양산에 들어간다. 이 배터리는 기존 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리에 알루미늄 소재를 첨가한 배터리로, 니켈 비율을 90%까지 높이고 코발트 비중을 5% 이하까지 낮추는 대신 알루미늄을 추가한 배터리다. 쉽게 말해 단가는 낮추고 출력은 높인 것. 
 
배터리 온도 급상승을 막아주는 알루미늄은 통상 1톤당 1500달러 수준으로, 톤당 3만달러 수준인 코발트에 비해 20배가량 저렴하다. 주행거리도 현재 니켈 비율이 60%인 전기차가 약 400km 정도 가는 것을 고려하면 니켈이 90%인 배터리는 600km 이상 주행이 가능하다.
 
삼성SDI도 올 4분기 내로 니켈 함량을 88%까지 올린 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리 개발을 마치고 내년 출시될 예정인 배터리 젠(Gen)5에 적용할 예정이다. NCA는 NCMA와 함께 차세대 배터리 시장을 선도할 양극재로 불린다. NCA 역시 알루미늄으로 안정성을 챙기는 동시에 한 번 충전으로 600km 이상 주행이 가능하며, 코발트 비중을 낮춰 가격 경쟁력도 챙겼다는 평가다. 삼성SDI의 젠5 배터리는 내년부터 10년간 독일 BMW 5세대 전기차에 탑재될 예정이다.
 
SK이노베이션은 LG화학·삼성SDI와 달리 기존 NCM 조합을 유지한다. 다만 니켈 함량을 90% 이상으로 끌어올린 NCM9½½ 배터리를 2022년부터 양산할 계획이다. 안정성 이슈는 알루미늄이 아닌 고성능 분리막으로 해결한다는 방침이다. 분리막은 미세한 구멍을 통해 이온만 이동시키면서 양극과 음극이 섞이지 않도록 하는 소재로, 기존 NCM 배터리에서 양극과 음극이 섞이면서 일어나는 과부하·폭발 위험을 줄여준다. 특히 SK이노베이션은 분리막 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖춘 SK아이이테크놀로지를 자회사로 두고 있어 협력이 기대된다는 관측이다. 해당 배터리는 오는 2023년 미국 포드의 전기 픽업트럭에 탑재된다.
 
"한 걸음 더"…5~10년 뒤 배터리는
 
3사의 앞으로 수년간의 초점은 NCMA·NCA·NCM 등 리튬이온 배터리지만, 더 먼 미래의 배터리 연구도 동시에 진행된다. 주행거리를 800km 이상까지 올리고, 안정성이 더 뛰어난 제품을 내놓기 위해서다. 오는 2030년 전후로 배터리 3사가 시장에 내놓을 미래형 배터리로는 △전고체 △리튬-황 △리튬-메탈 배터리 등이 있다. 
 
특히 삼성SDI는 전고체 배터리 개발에 무게를 두고 있다. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 사이 전해질을 액체에서 고체로 대체한 것으로, 액체보다 구조적으로 안정적인 만큼 안전성과 용량이 크게 늘어난다. 지난 3월 삼성전자 종합기술원은 1회 충전으로 주행거리 800km, 1000회 이상 충·방전이 가능한 전고체 배터리 연구결과를 공개하기도 했다. 다만 까다로운 양산 환경·설비 탓에 2027년 상용화를 목표로 두고 있다.
 
전고체 배터리는 3사의 공통 관심사지만, LG화학과 SK이노베이션은 각각 리튬-황·리튬-메탈 배터리에 힘을 주고 있다. 리튬-황 배터리는 황탄소 복합체와 리튬 메탈 등 경량 재료를 양·음극재로 사용해 기존 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 최소 두 배에서 열 배까지 높일 수 있다. 리튬-메탈 배터리도 기존 음극재 역할의 흑연과 실리콘을 리튬메탈로 대체해 경량화와 주행거리를 대폭 늘린 배터리다. 다만 이들 배터리 모두 전고체 배터리 기술이 전제돼야 완전한 구현이 가능한 만큼 상용화까지는 10년 안팎이 남은 것으로 알려졌다.
 
최승원 기자 cswon817@etomato.com

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  • 최승원

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