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더 크고 저렴한 배터리 만들겠다는 테슬라..LG·삼성·SK 기술은

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양극·음극 활물질 성능 높이기 나서

니켈↑ 코발트↓ 안정성 갖추도록 개발

음극엔 실리콘 첨가…충전속도·밀도 향상

[이데일리 경계영 기자] “18개월 안에 배터리 원가를 56% 절감하고 2만5000달러(2900만원가량)대 전기차를 선보이겠다.”

테슬라가 22일(현지시간) ‘배터리 데이(Battery Day)’에서 던진 메시지는 명확했다. △양·음극 활물질(배터리 내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 물질) △제조공정 △셀(배터리 기본 단위) 디자인 등에서 변화를 꾀해 원가를 낮추겠다는 얘기였다.

다만 대부분이 LG화학(051910)과 삼성SDI(006400), SK이노베이션(096770) 등 국내 배터리 제조사가 이미 개발했거나 추진하는 방향과 크게 다르지 않다는 평가다.

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일론 머스크(오른쪽) 테슬라 최고경영자(CEO)가 22일(현지시간) 배터리 데이에서 새로운 폼팩터의 배터리를 소개하고 있다. (사진=테슬라 배터리 데이 영상 캡처)

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국내 배터리사도 ‘하이니켈’

일론 머스크(Elon Musk) 테슬라 최고경영자(CEO)는 배터리에서 가장 비싼 재료인 코발트를 사실상 ‘0’으로 줄이겠다고 발표했다. 양극 활물질에 들어가는 코발트 비중을 낮추는 대신 니켈 함량을 더 높이겠다는 취지다.

국내 배터리 제조사 역시 니켈 함량을 더욱 높이는 하이(high) 니켈 기술을 개발하는 데 열중하고 있다. 배터리 구조를 잡아주는 역할을 담당하는 코발트 비중이 낮아지다보니 안정성을 잡는 것이 관건으로 꼽힌다. 니켈 역시 에너지 밀도를 높여 주행거리가 길어지지만 열도 증가하므로 기술력으로 안전성을 높여야 한다는 숙제가 있다.

LG화학은 내년 하반기부터 양극 활물질로 종전 NCM(니켈·코발트·망간)에 알루미늄(Al)을 더한 NCMA 배터리를 양산할 계획이다. NCMA 배터리 내 니켈 함량은 89~90% 수준으로 코발트 비중은 5% 이하로 떨어진다. 값이 코발트에 비해 20배가량 저렴하면서도 출력 성능을 높이는 알루미늄이 추가돼 가격 경쟁력을 높이는 동시에 성능이 향상된다고 LG화학은 설명했다.

삼성SDI는 내년을 목표로 개발하는 5세대(Gen5) 배터리의 양극 활물질로 니켈 함량을 88% 이상으로 높인 NCA(니켈·코발트·알루미늄)를 사용한다. 이미 2015년부터 전동공구 등에 들어가는 소형 배터리에 니켈 함량 88% 이상의 NCA 양극 활물질을 포함했으며 이를 중대형 배터리까지 확대하겠다는 의미다.

SK이노베이션은 NCM811(니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%) 배터리를 2018년부터 양산하고 있으며 지난해 NCM9½½ 배터리 개발에 성공했다. 뿐만 아니라 니켈 비중을 90% 중반대까지 높인 초고밀도 배터리도 개발하고 있다.

충전속도 빠르게…음극엔 실리콘 들어간다

테슬라는 음극 활물질에 실리콘 채용을 확대하겠다고 강조했다. 실리콘은 산소 다음으로 풍부할 뿐더러 가격도 저렴하다는 이유에서다. 현재 음극 활물질로 많이 쓰이는 흑연계에 비해 리튬이온을 9배 이상 더 저장해 에너지 밀도를 높이고 충전속도도 더욱 빠르게 할 수 있을 것으로 기대된다.

이 역시 국내 배터리 제조사가 이미 기술 개발하는 대목이다. LG화학은 지난해 음극 활물질에 실리콘을 첨가해 20분에 80% 이상 충전할 수 있는 배터리를 양산해 유럽 전기차업체에 공급했다. 자체 생산하는 탄소나노튜브를 양·음극 간 전자 이동을 돕는 도전재로 사용함으로써 실리콘 첨가로 낮아진 리튬이온의 전도도를 높이는 수준까지 발전했다.

삼성SDI는 5세대 배터리에 독자 특허로 상용화한 실리콘 음극 소재 SCN을 사용할 예정이다. SCN은 아주 작은 나노 사이즈의 실리콘을 흑연과 배합해 에너지 밀도가 높은 실리콘과 부피가 커지는 문제가 없이 안정한 흑연, 모두의 장점을 살리는 방식이다. SK이노베이션은 음극 활물질에 실리콘을 첨가하는 기술을 개발하고 있다.

다만 테슬라가 사실상 중대형 원통형 배터리인 ‘4680’(지름 46㎜·높이 80㎜ 크기)를 선보이는 등 기술 격차를 벌리는 만큼 적극 대응할 필요가 있다는 진단도 나온다.

박철완 서정대 자동차학과 교수는 “4680 배터리는 차세대 플랫폼을 위한 것으로 당장 한두 해 안에 국내 배터리 제조사에 영향은 없을 것”이라면서도 “이제라도 대응을 준비하려면 국내 배터리 제조사 간 소모전 대신 개발에 집중할 때”라고 강조했다.

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