하이니켈 배터리란?

하이니켈 배터리란?

양극재에 들어가는 코발트의 비중을 낮추고, 대신 니켈 함량을 60~70%에서 80~90%로 크게 높인 배터리를 말합니다. 니켈 비중을 늘리면 에너지 밀도가 높아져 전기차 1회 충전 시 주행거리의 증가와 고출력의 전기차를 제조하는 것도 가능합니다. 리튬이온전지에서 가장 널리 사용되는 양극재인 리튬코발트산화물(LiCoO2)의 이론적 에너지 밀도에 비해 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiCoMnO2 또는 NCM) 및 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2 또는 NMC)과 같은 하이 니켈 재료는 최대 250-300 mAh/g 정도 더 높은 이론적 에너지 밀도를 가지게 됩니다.

 

하이니켈 배터리의 단점

배터리업체들이 지금까지 하이니켈 배터리를 양산하지 않았던 것은 안전성 문제 때문입니다. 표면이 불안정하기 쉽고 이에 따라, 충방전이 이루어지는 동안 재료의 구조 변화를 겪을 수 있어 용량 감소 및 배터리 수명 감소로 이어질 수 있습니다. 또한, 배터리가 과열에 따른 화재 발생의 위험성도 존재합니다. 결국, 니켈 비중을 높일수록 배터리 성능은 개선되지만 안전성이 떨어지게 되는데, 최근 LG에너지솔루션, SK온, 삼성SDI 등 국내 배터리 회사들은 각자의 기술로 보완하고 있습니다.

 

각 회사 별 대응 방식

한국 배터리 업체들은 현재 주류인 NCM(니켈 코발트 망간)' 배터리에 주력하고 있습니다. 거기에 최대한 니켈 함량을 늘려 에너지 밀도를 증가 시키는 방향으로 연구 개발이 진행 중입니다. SK온의 경우 배터리 내부 분리막을 쌓을 때 지그재그 모양으로 양극과 음극을 감싸 두 극을 완벽히 분리하는 방식으로 안전성을 높였습니다. 또한, 하이니켈의 화재 가능성을 최소화하기 위해 세라믹 코팅 분리막(CCS, Ceramic Coated Separator)의 품질을 개선하였습니다. 삼성SDI는 알루미늄 소재와 특수코팅 기술을 더해 배터리 열화를 최소화했으며, LG에너지솔루션도 알루미늄을 추가해 안전성을 높였습니다. 

 

하이 니켈 전극 연구의 예

Well-dispersed single-crystalline nickel-rich cathode for long-life high-voltage all-solid-state batteries

화학적, 기계적 결함을 제거할 수 있는 마이크로 크기의 단결정 니켈이 풍부한 새로운 전극 재료를 합성하여 기존의 한계에 대한 해결책을 제시합니다. 이러한 단결정 구조는 이방성 격자 변형을 견딜 수 있고 균열 형성을 방지할 수 있어, 고전압에서 작동 시 우수한 충방전 안정성을 제공할 수 있다고 주장하고 있습니다. 높은 사이클링 안정성은 변형 및 응력 축적으로 인한 기계적 고장을 억제하기 때문으로 분석하고 있습니다.

 

W. Zhang et al., Journal of Power Source,  Well-dispersed single-crystalline nickel-rich cathode for long-life high-voltage all-solid-state batteries

참고

W. Zhang et al., Journal of Power Source, Well-dispersed single-crystalline nickel-rich cathode for long-life high-voltage all-solid-state batteries