NCM, LFP 배터리 쉽게 알아보자!

 

NCM, LFP 배터리를 설명하기 앞서 이해를 돕기 위해 리튬이온전지의 작동 원리에 대해 간략하게 설명하고 넘어가도록 하겠습니다.

 

리튬이온전지 작동 원리 (출처: LG에너지솔루션)

 

 

리튬이온전지는 양극재, 음극재, 전해질, 분리막으로 이뤄져 있고, 양극과 음극 사이에서 전자와 리튬이온(Li+)의 이동에 따라 충전과 방전을 반복합니다. 충전이 시작되면 양극에 있던 전자는 도선을 따라 음극으로 이동하고 리튬이온은 전해질과 분리막을 통과하여 음극에서 흡수됩니다. 반대로 방전을 하면 전자는 음극에서 다시 도선을 따라 양극으로 이동하고 리튬이온은 전해질과 분리막을 통과하여 양극으로 돌아갑니다.

 

여기서 잠깐! 왜 리튬이온을 사용하는 걸까요?

전자는 전위가 낮은 곳(음극)에서 높은 곳(양극)으로 움직이며, 전위차가 클수록 전류의 흐름과 전압도 커집니다. 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 물과 같은 성질이라고 생각하시면 됩니다. 리튬은 원소 중 가장 큰 전위차를 가지고 있어 전압이 높고, 최외각 전가가 1개인 금속으로 전자 하나를 내어주고 리튬 양이온(Li+)가 되어 안정되려는 이온화경향도 강합니다. 또한, 리튬은 원자번호가 3번으로 다른 금속에 비해 작고 가벼워서 에너지밀도까지 높은 장점을 가지고 있습니다.

맨 처음에는 리튬 전체를 음극으로 사용했습니다. 하지만 충방전이 반복되면서 리튬이 이탈하고 다시 흡수되는 과정에서 극판의 모양이 무너지고 아예 다른 모양으로 석출되는 문제가 발생했습니다. 리튬이 석출될 때 나뭇가지 형태로 쌓이면서 분리막을 찢고 양극에 도달하여 쇼트가 발생하고 발화로 이어졌습니다. 이를 해결하고자 리튬을 금속 상태가 아닌 이온상태로 사용하는 리튬이온전지를 개발하게 되었습니다.

 

리튬이온전지가 전자와 리튬이온의 이동으로 작동한다는 것을 알았고, 리튬이온을 잘 보관하고 흡수하면서도 형태가 무너지지 않는 구조를 가진 양극과 음극이 필요하다는 것도 알게 되었습니다.

 

흑연 음극재 구조 (출처: ChemTube3D)

 

현재 음극에는 흑연을 사용하고 있습니다. 흑연을 구성하고 있는 탄소는 가격이 저렴하고 정제하기도 쉽고 무엇보다 전위가 낮아 음극에 사용하기 매우 적합합니다. 또한, 흑연은 위 그림과 같이 탄소 6개가 안정적으로 결합되어 있고 겹겹이 층을 쌓은 층상구조이기 때문에 층 사이로 리튬이 들어왔다 나가기 좋은 구조로 되어 있습니다. 최근 업계에서는 실리콘을 추가하여 리튬의 저장공간을 늘리려는 노력 중에 있습니다.

 

물론 리튬을 잘 보관해야 하는 음극재도 중요하지만, 결국 이차전지의 성능을 결정하는 것은 양극재입니다. 이로 인해 양극재에 대한 연구와 투자가 집중되었으며 NCM, LFP와 같은 다양한 양극재가 개발되었습니다.

 

NCM 배터리

 

NCM 배터리는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망가니즈(Mn)으로 구성된 양극재 배터리로, 대표적인 삼원계 배터리 중 하나입니다. 그렇다면 각 원소의 역할은 무엇인지 알아보겠습니다.

 

가장 먼저 코발트는 양극의 화학적 구조의 안정성과 수명을 높여주는 역할을 합니다. 코발트는 3가 상태에서 가장 안정된 전이금속으로, 양극재에서 리튬이온이 빠져나가도 전기적 중성을 유지하며 양극재의 구조를 무너지지 않게 해줍니다. 하지만 코발트 매장량의 3/4 이 콩고에 있어 가격이 비싼 단점을 가지고 있습니다. 이로 인해 코발트보다 에너지 용량이 낮지만 저렴한 망가니즈를 배합하는 추세입니다.

 

니켈은 배터리의 에너지 밀도를 높여줍니다. 니켈은 코발트보다 더 많은 전자를 가지고 있고, 산화환원전위가 높아 전자를 잃고 흡수하는 반응을 더 빠르고 쉽게 합니다. 이러한 특징 때문에 니켈은 같은 부피에서 더 많은 에너지를 저장 및 출력을 할 수 있게 됩니다.

 

또한, 코발트와 망가니즈는 양극재 구조의 안정성을 유지해 주지만, 코발트산화물 층 사이에 있던 리튬이 모두 빠져나가면 구조는 무너질 수밖에 없습니다. 이 때문에 50% 이상 가용하지 못하는 문제가 있습니다. 니켈이온(2+)은 리튬이온과 크기가 비슷해 리튬이온의 층이 무너지지 않게 유지해 줄 수 있어 더 많은 리튬이온이 빠져나올 수 있게 도와주어 에너지 밀도를 더욱 증가시켜 줍니다.

 

하지만 니켈의 함량을 너무 높이면 오히려 해당 층을 막는 문제를 발생시키고, 화학적 및 열적 불안전성을 야기할 수 있습니다. 이 때문에 3개 원소의 함량을 적절히 배합하는 것이 중요하고, 코팅 및 도핑 기법을 거쳐 이러한 문제를 개선 중에 있습니다. 니켈 80%, 코발트 10%, 망가니즈 10% 함량을 가진 배터리를 NCM811로 명칭 하는데, 최근에는 NCM9.5.5 까지 나오고 있는 상태입니다. 

 

삼원계 배터리에는 코발트 일부를 알루미늄(Al)으로 대체한 NCA 배터리도 있습니다. 알루미늄은 전기전도성이 높고 열 전도성이 좋아 배터리 내부 저항을 줄여 주기 때문에 전자의 이동을 빠르게 하여 출력을 높여줍니다.

 

LFP 배터리

 

LFP 양극재 올리빈 구조 (출처: MDPI)

 

 

LFP 배터리는 리튬인산철 배터리로, 매장량이 매우 풍부한 철로 만들기 때문에 NCM 배터리보다 저렴합니다. 하지만 LFP 배터리는 올리빈 구조를 띄고 있어 층상구조인 NCM 배터리에 비해 에너지 출력이 낮다는 단점을 가지고 있습니다. 올리빈 구조는 위 그림과 같이 산소와 인이 육각형 형태로 강력하게 결합되어 있는 구조로 리튬이 1차원 배열로 저장되어 한 줄로 움직입니다. 2차원 면으로 확산되는 NCM 배터리에 비해 출력이 낮을 수밖에 없는 구조입니다.

 

하지만 구조적으로 단단하게 결합되어 있어 더 많은 리튬이 빠져나가도 안정성을 유지하여 이론용량 대비하여 실제용량이 크게 차이 나지 않습니다. 또한, 배터리 발화 시 NCM 배터리는 내부에 있는 산소가 연소에 참여하면서 더 큰 폭발로 이어지는데, LFP 배터리는 산소와 인이 강하게 결합되어 있어 산소가 방출되지 않습니다. 

 

NCM vs. LFP 배터리

NCM 장점 :

• 에너지 밀도가 높아 1회 충전으로 더 많은 에너지 제공
• 전압과 출력이 높아서 순간적인 파워가 강력

NCM 단점 :

• 가격이 비싸고, 코발트 자원이 특정국가에 편중되어 있음
• 발화의 위험성이 비교적 높음

LFP 장점 :

• 가격이 저렴함
• 구조적으로 단단하게 결합되어 있어 안정성 유지됨
• 발화의 위험성이 비교적 낮음

LFP 단점 :

• 에너지 밀도와 출력이 낮음

 

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