배터리 산업의 방향성은 열관리 (feat. 방열 소재와 냉각 장치)

배터리 산업의 방향성은 열관리 (feat. 방열 소재와 냉각 장치)

 

향후 배터리산업의 방향성에 있어, 열관리가 더욱 중요해질 것으로 보이며 이에 따라, 열관리에 좀 더 유리한 폼팩터인 원통형 46파이를 비롯해 소재 부분에서는 단결정양극재(하이니켈), 단결정 고전압 미드니켈, LFP가 산업과 시장의 주목을 받을 것으로 보입니다. 또한 배터리 팩과 모듈과 관련해 방열 소재(열폭주 차단패드, 방염패드, 갭필러, 방열필름/시트,  실리콘 등)와 냉각장치 그리고 더 나가 액침냉각 등도 보다 중요해질 것으로 보입니다.

 

1. 단결정 고전압 미드니켈의 필요성

중저가 보급형 전기차 생산을 위해 저렴한 배터리가 필요하며, 전기차 화재 안전성에 대한 우려가 커지면서 열전이(Thermal Propagation) 규제가 강화되려 하고 있습니다.

 

2. 배터리 안전규제 UN GTR

미국, 유럽 등 주요 자동차 메이커들의 열적 안정성에 대한 요구가 강해지고 있습니다. 배터리로 인한 전기차 화재는 열폭주(Thermal Runway)와 열전이(Thermal Propagation)에 의해 발생합니다. 기존 배터리 안전규제인 UN GTR(세계기술기준)에서는 열폭주 이후 열전이 까지 5분의 시간을 권고하였으나, 2024 – 2025년 발표될 UN GTR 2단계 권고안에서는 15 - 30분의 강화된 지연시간을 요구할 것으로 예상됩니다.

 

2030년부터는 열전이가 아예 발생해서는 안 되는 수준까지 규제가 강화될 것으로 전망되며, UN-GTR 권고안 이후 미국과 유럽에서도 배터리 안전규제가 마련될 것입니다. 최근 테슬라를 비롯한 주요 전기차 제조사들이 중국산 LFP배터리를 탑재를 확대하려는 이유도 UN GTR 강화와 연관이 있을 것으로 보고 있습니다.

 

3. 배터리 열관리

열전 이를 막기 위해서 BMS에서 열관리를 하거나 팩과 모듈의 소재/부품을 통해 열전이를 지연시킬 수는 있으나 근본적으로 셀 자체의 발화 위험성을 낮추는 것이 중요합니다. 니켈은 리튬이온 배터리 충전과정에서 +4(4가)로 산화합니다. 산화된 4가 니켈 이온 (Ni 4+) sms 매우 불안정한 상태로 전해액과 반응해 산화니켈을 형성합니다. 니켈과 산소의 결합 에너지가 약하다 보니 열을 방출하면서 안정화하는 성질을 가지고 있습니다.

 

니켈의 함량이 많을수록 열적 안정성이 떨어지는데, 알루미늄을 도핑하거나 양극재 입자를 코팅하는 방식 등으로 이러한 문제를 해결하고자 하고 있고 있으나 한계가 있습니다. 완성차 업체들이 LFP에 관심을 갖는 이유도 가격적 측면뿐 아니라 안정성 측면도 중요합니다.

 

4. 고전압 미드니켈 배터리

LFP의 대안으로 국내 양극재 및 배터리 업체들이 강조하는 것이 고전압 미드니켈 배터리입니다. 니켈 함량을 50~70%로 낮추면서 전압을 높여 에너지 밀도를 향상한 배터리로 니켈의 함량을 줄임으로써 안정성을 강화하고 가격 또한 낮출 수 있습니다. 고전압 미드니켈 양극재에서는 수산화리튬보다 저렴한 탄산리튬을 사용합니다.

 

LG에너지솔루션은 고전압 미드니켈 배터리인 NCM613을 통해 2024 인터배터리 최고 혁신상을 수상하였는데, 기존 하이니켈 배터리 대비 가격은 10% 절감하고, 열적 안정성은 30% 개선하였습니다. 배터리에서 망간은 구조적 안정성을 담당하며, 고전압 구현에 적합합니다. 니켈의 함량이 줄어들면 에너지 용량이 감소하게 되는데, 이를 전압을 높여 상쇄합니다.

 

“에너지 밀도 = 용량 X 전압”

 

현재 4.2~4.3V인 충전전압을 4.4~4.5V로 올리고자 하고 있습니다. 충전 전압을 0.1V 올릴 때마다 에너지밀도는 4mAh/g 이상이 증가합니다. 양극재 업계에서는 고전압 미드니켈(단결정 유니모달) 배터리의 에너지 밀도는 하이니켈(다결정 바이모달) 보다 우수한 것으로 파악됩니다.

 

5. 충전전압을 높이기 위한 해결책 : 단결정 양극재

전압을 올려 에너지 밀도를 향상하면 소재 내 크랙이나 균열이 발생할 수 있습니다. 안정성을 높이기 위해 망간의 함량을 확대하는데도 한계가 있습니다. 망간 함량이 늘어나면 저항이 함께 증가해 배터리 성능 저하가 일어납니다. 도핑 소재를 적용하여 입자 표면을 코팅하는 방법으로 균열을 억제할 수 있으나 적절한 소재를 찾기도 어렵고 배터리 가격 상승의 요인이 되기도 합니다.

 

배터리 업계는 단결정(Single-Crystal)에서 해답을 찾고 있습니다. 단결정 양극재는 하이니켈 양극재의 수명과 용량을 늘릴 수 있는 기술로 개발되기 시작하였으나 미드니켈 양극재에서도 좋은 해결책으로 주목받고 있습니다. 단결정 양극재는 니켈, 코발트, 망간 등의 입자를 하나의 입자 형상(One Body)으로 만드는 것입니다. 단결정 제품은 균열을 방지하고 안정성과 수명 성능을 향상할 수 있으며, 높은 압력에서도 깨지지 않기 때문에 전고체 배터리나 건식 전극을 구현하기에도 유리합니다.

 

기존 다결정 양극재는 압연 공정에서 깨지기 쉽습니다. 특히 충전과 방전을 반복할수록 소재 사이에 균열이 발생하고 이 틈으로 전해액이 침투하면서 소재와 부반응을 일으켜 가스가 발생합니다. 단결정 양극재가 다결정에 비해 용량은 10%, 수명은 30% 향상하는 것으로 분석됩니다.

 

양극 소재는 입자 크기에 따라 대입경(10 – 20 마이크로미터)과 소입경 (5 마이크로 이하)으로 구분되는데, 입자 간 공극을 줄이기 위해 대입경과 소입경을 섞어 쓰는 방식을 바이모달이라고 합니다. 통상 대입경과 소입경의 혼합 비율은 8대 2, 7대 3 정도입니다. 우선 대입경 다결정과 소입경 단결정이 함께 사용되다, 향후 소입경 단결정만을 사용하는 유니모달 방식으로 진화할 것으로 전망하고 있습니다.

 

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6. 고전압 미드니켈과 LFP, 국내 양극재 업체들의 대응

국내 배터리 및 소재업체들은 보급형 전기차나 ESS용 시장을 겨냥해 LFP배터리 개발에 나서면서, 단결정 고전압 미드니켈 양극재도 함께 개발하는 투트랙 전략을 쓰고 있습니다.

 

1) LG화학

2023년 6월 국내 최초로 하이니켈 단결정 양극재를 생산하며, 고전압 미드니켈, LFP 양극재를 함께 개발하고 있습니다.

 

2) 에코프로비엠

단결정 기술을 고전압 미드니켈에 확대 적용할 계획입니다.

 

3) 포스코퓨처엠

2023년 니켈 함량 86% 이상인 단결정 양극재를 생산해 얼티엄셀즈에 공급합니다. 단결정 입자 구조를 적용한 고전압 미드니켈 소재를 개발 중입니다.

 

4) 엘앤에프

단결정 하이니켈 기술을 보유 중에 있으며, 고전압 미드니켈 기술을 개발 중입니다.

 

5) 코스모 신소재

하이니켈 소입경 단결정 양극재를 생산 중입니다.

 

아직까지 시장은 중저가 및 보급형 전기차 시장에서 LFP배터리의 점유율이 커질 것으로 예상하고 있으나, 고전압 미드니켈 양극재의 적용에 따라 배터리 시장의 판도가 바뀔 수 있을 것입니다.

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