리튬이온 배터리 원리와 종류 (NCM, NCMA, LFP)

안녕하세요. 훈스로그입니다.

전기차 배터리에는 리튬이온배터리가 탑재되는데요. 오늘은 전기차에 사용되는 리튬이온배터리의 종류와 그 원리에 대해 한번 알아보겠습니다.

1. 리튬이온 배터리의 구성요소

리튬이온 배터리는 리튬 이온을 사용한 전지를 의미하는데요. 그 구성요소를 살펴보면 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있습니다. 각각의 역할을 설명해드려 보면 양극은 배터리의 용량을 결정, 음극은 리튬 이온을 저장하는 역할, 분리막은 양극과 음극이 만나서 단락되지 않도록 물리적으로 차단시켜주는 역할을 하며, 전해액은 리튬이온이 원활하게 이동할 수 있도록 해주는 역할을 합니다.

 리튬이온 배터리는 충전과 방전을 하여 재사용할 수 있는 전지인데요. 충전은 전기에너지를 저장하는 일으로 양극에서 음극으로 리튬이온과 전자가 이동하게 되며, 반대로 방전은 음극에 있던 리튬이온과 전자가 양극으로 이동하게 되는 과정입니다.

 즉, 음극에서 리튬이온을 저장한다고 보시면 되는데요. 일반적으로 음극 소재는 흑연을 사용하고 있습니다. 리튬 이온의 삽입과 탈리가 용이한 소재기에 사용하고 있는데요. 차세대 소재로는 실리콘을 보고 있습니다. 그 저장량이 훨씬 좋다고 하네요.

2. 양극재 종류에 따라 나뉜다.

 양극재 종류에 따라 리튬이온 배터리도 여러 종류로 나눌 수 있는데요. 일반적으로 전기자동차에서 많이 사용하고 있는 것은 바로 삼원계입니다. NCM, NCA, NCMA가 있죠.

1) 삼원계 (NCM, NCA, NCMA)

NCM : 니켈 & 코발트 & 망간

혼합 비율에따라 NCM622, NCM811, NCM9½½이 있습니다. 622는 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%로 구성되어 있다는 의미겠죠. 일반적으로 니켈은 배터리 용량과 관련이 있고, 코발트와 망간이 배터리의 안전성과 관련이 있습니다. 최근에는 에너지밀도와 코발트 가격때문에 하이니켈으로 가는 추세입니다.

NCA : 니켈 & 코발트 & 알루미늄

 망간 대신 알루미늄을 첨가한 전지인데요. 알루미늄은 출력 성능을 향상시켜주는 역할을 합니다. 하지만 원료 합성과 수분제어가 어렵기 때문에 많이 사용하진 않고 일반적으로 원통형 배터리에 많이 사용합니다. 

NCMA : 니켈  & 코발트 & 망간 & 알루미늄

NCM에 알루미늄까지 추가된 양극재인데요. 양산하여 적용하고 있지는 않지만, LG에너지솔루션에서 NCMA배터리를 내년에 양산하고 테슬라 차량에 탑재할 계획이라고 해요. 기존 NCM에 알루미늄이 추가되어 출력까지 증가된 것이죠.

2) 리튬 인산철 배터리(LFP) : LiFePO4

 최근 중국에서 판매중인 모델3에 LFP가 탑재된다는 소식에 꽤 널리 알려졌는데요. 리튬인산철 배터리는 이름에서도 알 수 있듯이 철을 사용하기 때문에 원재료 수급이 쉽고 가격이 저렴합니다. 하지만 철은 무겁기 때문에 그만큼 에너지밀도(Wh/kg)가 좋지 않아서 전기차에 일반적으로 사용하지 않았었는데요. 

 최근 배터리팩의 패키징 기술이 향상됨에 따라 CTP(Cell to Pack: 모듈없이 셀에서 바로 패키징 하는 것) 등을 통해 에너지 밀도를 향상시켜 사용하고 있는 추세입니다. 올리빈 구조의 육면체 형태이기 때문에 안전성이 매우 좋다는게 특징입니다. 요즘 전기차 화재가 이슈되고 있는 상황에 오히려 LFP도 대안이 될 수도 있다고 생각했습니다. 리튬인산철은 불이 잘 안나거든요.. 기껏해야 연기만 나는 수준입니다.

3. 형태로 구분하는 셀 종류

원통형 셀, 파우치 셀, 각형 셀 세가지로 나눌 수 있습니다. 아래와 같은 사진을 보시면 이해가 되실텐데요. 각 셀의 특징은 아래와 같습니다. LG에너지솔루션은 파우치셀, 삼성SDI는 각형 셀을 집중적으로 사용하지만, 최근에는 다양한 고객사를 위해 다양화 되는 추세입니다.

전기차 배터리 종류 [리튬인산철(LFP), 삼원계(NCM,NCA), 전고체 차이 ]

 

배터리 용어 [용량, 출력, 내부저항(IR), 전류, 전압]

 

전기차 구성 부품 및 특징