배터리 이차전지 양극재 종류 및 특징 비교 (LMO, LFP, NCM, NCA, NCMA)

 

 

 

 

 

 

 

양극재는 리튬과 금속 원소를 어떤 비율로 조합하는지에 따라 그 성능과 특성이 달라지는데요, 현재 차량용 배터리에 주로 사용하는 금속은 니켈 Ni(용량), 망간 Mn(안정성), 코발트 Co(안정성), 알루미늄 Al(출력)이며 이를 활물질로 하여 5가지 종류의 LMO, LFP, NCM, NCA, NCMA 배터리를 만들고 있습니다. NCM, NCA는 LCO에서 일부 활물질을 니켈과 망간 또는 니켈과 알루미늄으로 대체한 것이죠. 각 양극재별로 특징에 대해 알아봅시다.

 

 

 

 

 

일원계 양극재: LMO

 

 

 

 

 

 일원계 양극재인 LMO의 풀네임은 Lithium Manganese Oxide, 리튬-망간-산소로 화학식은 LiMn2O4입니다. 망간을 사용하여 가격이 저렴한 편이고 열 안정성이 우수합니다. 하지만 에너지 밀도(100-150Wh/kg)와 용량이 작고, 수명(~1000-1500 cycle)도 짧은 것이 단점입니다. 성능 특성 향상을 위해 NCM과 같은 다른 재료와 혼합하기도 하며, 전동 공구나 의료 기기, 일부 하이브리드 EV에 자주 사용되고 있습니다.

 

 

 

 

 

일원계 양극재: LFP

 

 

 

 

 

 

 LFP는 일원계 양극재로 풀네임은 Lithium Iron Phosphate, 리튬-철-인산화물이며 화학식은 LiFePO4입니다. 철을 사용하여 가격이 저렴하고 친환경적이며 화학 구조상 안정성도 우수하여 열 폭주 현상이 상대적으로 덜 발생합니다. 충⋅방전시 수명(~2000 cycle) 저하도 적고 용량도 적당하죠. 하지만 다른 양극재에 비해 에너지 밀도(~150Wh/kg)가 낮은 편이며 무게도 많이 나갑니다. 그래도 저렴한 가격과 준수한 효율 덕분에 중국의 배터리 제조사를 중심으로 전기 버스, 보급형 EV, ESS (에너지 저장 시스템) 등에 많이 사용하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

삼원계 양극재: NCM

 

 

 

 

 

 

 NCM은 리튬 코발트 산화물(LCO)에서 코발트의 비중을 나눠 니켈과 망간을 추가한 삼원계 양극재로 풀네임은 Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide, 리튬-니켈-코발트-망간-산소, 화학식은 Li(Ni,Co,Mn)O2이지만 편의를 위해 NCM으로 줄여서 부르고 있습니다. 최초의 NCM은 니켈·코발트·망간 비율이 1:1:1이었으나, (NCM111) 점차 니켈의 함량을 높여 에너지 밀도를 높이고 코발트를 줄여 원료 가격은 낮추는 방향으로 개선되고 있으며 니켈 비율이 60% 이상의 양극재는 하이니켈(high-nickel)이라고 합니다. 니켈의 함유량에 따라 NCM의 이름도 NCM712, NCM811 등으로 부르고 있는데 여기에서 NCM 811은 니켈 80% 코발트 10% 망간 10%를 의미합니다. 최근에는 니켈 비율을 90%까지 사용한 NCM 구반반(9:0.5:0.5)이 출시되기도 했습니다.

 

 

 

 

 

 NCM은 니켈 함량이 높을수록 열 안정성에 영향을 미칠 수 있으며 코발트, 니켈을 사용하여 LFP에 비해 가격도 비싼 편입니다. 그렇지만 용량과 밀도(~200-250 Wh/kg)가 높고, 수명(~1000-2000 cycle)도 길며 무게도 가볍다는 장점이 있어 전자 제품은 물론 EV에서 많이 사용하고 있습니다. 한국 배터리 제조사들의 주력 사양이기도 하죠.

 

 

 

 

 

 

삼원계 양극재: NCA

 

 

 

 

 

 NCA는 NCM과 마찬가지로 리튬 코발트산화물(LCO)을 기본으로 니켈과 알루미늄을 추가한 삼원계 양극재로 풀네임은 Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide, 화학식은 Li(Ni,Co,Al)O2이지만 줄여서 NCA로 부르고 있습니다. NCM이 니켈의 함량에 따라 NCM712, NCM811 등으로 나누는 것과 달리 NCA는 따로 구분을 하지 않는데, 그 이유는 이미 NCA는 니켈·코발트·알루미늄 비율이 8:1:1인 하이니켈 양극재이기 때문입니다. NCM에 비해 수명(~1000-1500 cycle)이 좀 더 짧다는 단점이 있지만 용량과 밀도(~250-300 Wh/kg) 등 배터리 효율이 좋고 안정성 또한 NCM과 비슷한 수준입니다. 전자제품용 소형 배터리와 프리미엄 EV의 원통형 배터리 등에서 많이 사용하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

사원계 양극재: NCMA

 

 

 

 

출처: LGES 홈페이지

 

 

 

 NCMA는 기존 하이니켈 NCM에 알루미늄을 더한 사원계 양극재로, 풀네임은 Lithium Nickel Cobalt Manganese Aluminum Oxide, 화학식은 Li(Ni,Co,Mn,Al)O2입니다. 높은 에너지 밀도(300Wh/kg)와 용량, 넉넉한 수명(2000~ cycles) 등 높은 성능은 물론이며 알루미늄을 더해 안정성까지 갖춘 장점이 많은 배터리입니다. 원형, 각형, 파우치형 등 배터리 형태의 구분 없이 사용 할 수 있습니다. 아직은 양산 초기 단계이지만 적용 사례는 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다.

 

 

 

 

 

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