[디지털투데이 고성현 기자] 전기차 배터리의 원통형 규격이 점점 커져가면서 이를 구성하는 배터리 소재 개발 방향이 바뀌고 있다. 셀 크기 확대와 원가 절감을 위한 공정 변화 추세에 맞춰 차세대 단결정 양극재 상업화를 위한 연구개발(R&D)이 활발해지는 추세다.

21일 SNE리서치가 개최한 '제 13회 Korea Advanced Battery Conference (KABC 2022)'에서 양제헌 에코프로비엠 선행개발미래전략팀 이사는 차세대 양극재 동향에 대해 발표했다.

양제헌 이사는 "테슬라가 대형화된 4680 원통형 배터리를 내세우면서 46파이(Φ; 지름 46mm) 규격 배터리 개발이 이슈로 떠올랐다"고 입을 뗐다.

4680 배터리는 테슬라가 내세운 원통형 배터리 차세대 규격이다. 지름 46mm, 길이 80mm의 배터리로 기존 1865와 2170 대비 에너지 용량과 출력을 획기적으로 높였다. 4680 배터리는 2170 대비 부피가 4배 가량 커 용량이 5배 이상 크고, kWh 당 가격(달러 기준)도 줄어들 것으로 기대받고 있다.

양 이사는 "4680 배터리 개발과 함께 기존 셀투모듈(CTM) 배터리팩 탑재 방식에서 셀투팩(CTP), 셀투바디·비히클(CTB) 및 셀투샤시(CTC) 등으로 변화하는 추세"라고 설명했다.

이어 "4680 배터리는 NCM·NCA·NCMx 등의 삼원계 이상의 양극재가 사용되며 니켈 함량이 87~94%에 달하는 스펙을 갖췄다"며 "이를 양산하기 위해 배터리 제조 공정도 기존 습식 전극 공정에서 건식 공정으로 바뀔 것"이라고 덧붙였다.

전기차용 배터리 개발은 고용량 배터리 셀을 탑재한 고전압 시스템을 통해 차량의 주행거리를 늘리고, 가격대가 높은 배터리 셀 원가를 낮춰 수익성 확보 및 전기차 가격 절감 등을 이뤄내는 게 핵심이다. 그러면서도 불안전한 배터리 물질을 보완하기 위한 화재 안전성 방지 등 기술 부문에서 연구가 진행되고 있다.

전극 공정은 양극, 혹은 음극판에 활물질을 도포(Coating)하는 과정이다. 기존 배터리 공정은 전극에 액체 상태의 도전재를 도포하는 습식 공정을 활용했다. 이 과정은 용액 형태의 도전재를 건조하는 공정, 이를 압연, 압착하는 캘린더링 공정이 추가적으로 들어가고 발생하는 독성 물질을 처리하는 등 비용이 발생하게 된다.

건식 공정은 분말 형태의 전극 필름을 부착하는 방식으로 건조·캘린더링 공정이 생략돼 생산 시간과 처리 비용 등을 절약할 수 있다. 다만 전극에 포함되는 양극재 고온, 고압을 견뎌야 하는 만큼 양극재 개발도 공정에 맞춰 새로 바뀌어야 했다.

양 이사는 "2170 규격은 전극길이가 1m 남짓이나 46파이는 길이 차이에 따라 대략 4~5m로 커진다. 따라서 기존 규격보다 젤리롤(전극이 말려 있는 형태)에서 발생하는 열이 부분마다 달라지거나 열 방출이 어려워져 열화가 생기기 쉽다. 이를 견뎌낼 양극재 개발이 필요하다"고 전했다.

양 이사는 "이 과정에서 고온·고압에도 부서지지 않는 단결정 양극재가 핵심이 될 것"이라고 설명했다.

단결정 양극재는 여러 금속을 단일 입자화한 차세대 양극재다. 결정 형태가 단단해 공정 과정이나 충방전 시 부서질 확률이 낮아 가스 발생량이 적다. 가스 발생량이 적으면 배터리 내부가 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상이 적어 화재 발생 가능성을 낮출 수 있고, 열화로 인한 수명 저하 현상을 줄일 수 있다. 입자가 단단하고 뭉쳐진 만큼 불필요한 입자 간 공간을 줄여 에너지밀도까지 높일 수 있는 이점이 있다.

다만 단결정 양극재는 초기 저항값이 높아 다결정 대비 배터리 용량이 낮아질 수 있는 등의 약점이 있다. 이에 따라 에코프로비엠을 비롯한 양극재 업체들은 저항값을 낮추기 위해 첨가할 불순물을 여러 가지로 고민하고 있다.

양 이사는 "4680 배터리는  한 배터리셀 업체가 내년 상용화 가능성이 높다"며 "현재는 여러 업체들이 어떤 양극재가 최적화인지 찾아내기 위한 실험계획법(DOE)을 거치고 있고, 시제품은 내년이나 내후년쯤 나오게 되지 않을까 예상한다"고 밝혔다.

중·저가용 시장을 겨냥 중국이 집중하고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리에 대해 양 이사는 "에코프로비엠은 니켈을 줄이고 망간 함량을 높인 NMx 양극재를 개발 중이다. 이를 통해 LFP의 가격 경쟁력을 따라가는 게 목표다. 망간과 리튬 함량 비중을 높인 LMR, OLO로 가는 것도 하나의 방법"이라며 "LFP가 전기차 업체들이 향후 채용할 800V급 시스템에서 경쟁력이 없는 만큼, 국내 기업들이 LFP를 선택하지 않길 바란다"고 말했다.