전기차 주행거리를 결정짓는 배터리 속 ‘이것’은? [모빌리티]

“전기차 주행거리 늘려라”…배터리 에너지 밀도 높이기 안간힘
배터리 용량과 전압 좌우하는 핵심 소재 ‘양극재’
리튬에 산소, 니켈·코발트·철 등 금속 등 결합해 생산
‘NCM’ ‘NCA’ 삼원계부터 ‘NCMA’ 사원계, 저렴한 ‘LFP’까지

▲배터리의 구성 (출처=LG에너지솔루션)

전기차의 주행거리를 결정짓는 건 ‘에너지 밀도’다. 에너지 밀도는 용량과 전압을 곱한 값이다. 즉 용량과 전압이 높을수록 에너지 밀도가 높아지고 성능이 향상된다.

일반적으로 2021년부터 현재까지 나온 전기차를 ‘3세대’로 구분한다. 2010~2016년 출시된 1세대 전기차의 주행거리가 150~200km에 불과한 데 비해, 3세대 전기차는 주행거리가 500km 이상으로 대폭 늘었다. 1번 충전하면 서울에서 부산까지 달릴 수 있는 수준이다. 충전 시간도 절반 수준으로 단축됐다.

배터리의 용량과 전압을 좌우하는 주요 소재가 바로 양극재다. 양극재는 배터리 제조 원가의 35% 이상을 차지한다. 양극재를 구성하는 양극활물질은 리튬과 산소, 그리고 니켈, 코발트 등 여러 금속을 조합해 만들어진다.

주로 쓰이는 리튬금속산화물은 리튬, 코발트, 산소로 구성된 리튬코발트산화물(LCO)이 있다. 리튬코발트산화물에 니켈, 망가니즈(망간)을 결합한 양극재는 니켈·코발트·망간(NCM)이다. 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도가 높아지고, 코발트와 망가니즈는 배터리의 안전성을 담당한다. 주로 전기차 배터리에 사용된다.

니켈·코발트·알루미늄(NCA) 양극재는 NCM보다 니켈 함량이 더욱 높고 알루미늄의 가벼운 특성이 더해져 에너지 밀도와 출력이 높다. 에너지 밀도가 높은 만큼 수명이 짧고 열 안정성이 떨어지기 때문에 소형 전지에 쓰인다.

NCM, NCA 등 삼원계 양극재에 한 가지 원소를 추가한 니켈·코발트·망간·알루미늄(NCMA)도 주목받고 있다. 니켈 비중을 높여 에너지 밀도를 개선할 수 있고, 코발트 함량이 줄어들어 제조 원가가 낮아진다는 장점이 있다. 또한 원통형, 각형, 파우치형 등 폼팩터(형태) 구분 없이 모두 사용할 수 있다.

전기차 시장의 ‘게임 체인저’로 주목받는 리튬인산철(LFP)은 비싼 코발트 대신 저렴한 인산철을 사용하는 양극재다. NCA, NCM 등 삼원계보다 가격이 30%가량 낮고 육면체 형태로 이뤄진 ‘올리빈 구조’를 갖추고 있어 안정적이다. SNE리서치에 따르면 지난해 양극재 출하량 중 LFP가 차지하는 비중은 53%에 달한다.

다만 LFP는 에너지 밀도가 낮아 전기차의 주행거리가 짧아진다는 치명적 단점이 있다. 최근에는 이러한 단점을 개선하기 위한 여러 시도가 이어지고 있다. 대표적인 기술이 ‘셀투팩(Cell to Pack·CTP)’이다. 배터리 셀을 모듈화하지 않고 팩에 바로 끼워 넣어 에너지 밀도와 무게를 개선하는 것이다.