[한입 지식] 삼원계부터 LFP까지…배터리 시장 주도권 가를 '양극재의 진...

삼성SDI의 ESS용 LFP 배터리 [사진=삼성SDI]

[뉴시안 = 최문수 기자] 전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 급팽창하면서 배터리의 ‘심장’으로 불리는 양극재 기술 경쟁이 가속화되고 있다. 리튬이온 배터리가 현대 산업의 핵심 에너지원으로 자리를 잡은 가운데, 최근 배터리 업계는 니켈, 코발트, 망간 등을 조합한 삼원계(NCM·NCA)부터 가격 경쟁력을 내세운 리튬인산철(LFP)까지 소재 다변화를 통해 시장 주도권 확보에 총력을 기울이는 모습이다.

# 왜 ‘리튬’인가…금속 산화물로 찾은 ‘안정성’과 ‘효율’

리튬이온 배터리라는 이름은 양극 소재로 리튬과 산소가 결합한 ‘리튬 금속 산화물’을 사용하는 데서 유래했다. 원자번호 3번인 리튬은 금속 중 가장 가볍고 전자를 잃기 쉬운 특성을 지녀 에너지 밀도를 높이기에 최적의 원소다. 하지만 높은 반응성으로 인해 물이나 공기와 접촉하면 폭발 위험이 있어 단독 보관이 어렵다.

배터리 제조사들이 순수 리튬 대신 금속 산화물을 사용하는 이유는 여기에 있다. 산화물 형태에서는 리튬의 반응성이 낮아져 안정적인 ‘활물질(전기에너지를 생성하는 실제 물질)’로 기능하기 때문이다. 양극에 머물던 리튬이온은 충전 시 음극으로 이동했다가, 방전 시 다시 양극으로 돌아오며 전기를 발생시킨다. 이때 양극 활물질 내 리튬이온의 양과 움직임이 배터리의 전체 용량과 전압을 결정짓는 핵심 지표가 된다.

# 니켈은 ‘용량’, 망간은 ‘안전’

양극 확물질은 리튬과 결합하는 금속의 종류에 따라 그 특성이 나뉜다. 니켈(Ni)은 배터리의 주행거리를 결정하는 ‘용량’을 담당하며, 망간(Mn)과 코발트(Co)는 구조적 ‘안전성’을 뒷받침한다. 알루미늄(Al)은 순간적인 힘을 내는 ‘출력’ 성능을 향상시킨다.

배터리 역사의 시작은 1980년 굿이너프 교수가 발표한 LCO(리튬·코발트·산소) 방식이다. 소니가 세계 최초로 양산에 성공하며 휴대용 전자제품 시대를 열었지만, 코발트의 높은 가격과 수급 불안정성이 한계로 지적됐다. 이에 업계는 코발트 비중을 낮추고 니켈 등을 섞은 삼원계 배터리(NCM, NCA) 개발에 주력해 왔다.

특히, 니켈 함량을 90% 이상으로 높인 ‘하이니켈(High-Ni)’ 기술은 에너지 밀도를 극대화할 수 있는 차세대 기술로 꼽힌다. 우리나라 기업 중 삼성SDI는 독자적인 NCA 소재 기술에 특수 코팅 및 알루미늄 소재를 더해, 하이니켈 특유의 열화 현상을 최소화하면서도 고용량과 안전성을 동시에 확보한 기업으로 꼽힌다.

# ‘가성비’ 앞세운 LFP의 역습…삼성SDI, 공급망 국산화로 맞불

최근 시장의 또 다른 축은 LFP(리튬인산철) 배터리다. 비싼 코발트 대신 흔하고 값싼 철(Fe)과 인(P)을 사용하는 LFP는 삼원계 대비 에너지 밀도가 낮고 무겁다는 단점이 있지만, 화학적 구조가 매우 안정적이고 가격 경쟁력이 압도적이다. 최근 전기차 시장의 대중화 바람과 ESS 수요 급증에 의해 LFP는 주류 기술 중 하나로 재평가받고 있다.

그동안 삼원계 프리미엄 전략에 집중해온 국내 배터리 업계도 LFP 시장 대응에 속도를 내고 있다. 이 가운데, 삼성SDI는 올해부터 미국 현지에서 LFP 배터리를 생산할 예정인데, 회사는 단순히 가격만 낮추는 것이 아니라, 차별화된 극판 공정 기술을 적용해 LFP의 고질적 약점인 낮은 에너지 밀도를 보완한다는 복안이다.

실제로 삼성SDI는 지난해 말 미국 대형 에너지 기업과 2조 원 규모의 ESS용 LFP 공급 계약을 체결한 데 이어, 최근 국내 소재 업체들과 대규모 양극재 공급 계약을 맺으며 ‘안정적인 국산 LFP 공급망’ 구축에 나섰다. 이는 중국이 주도해온 LFP 시장에서 기술력과 공급망 안정성을 바탕으로 주도권을 쥐겠다는 전략적 포석으로 풀이된다.

# 소재 혁신은 진행 중…미래 배터리 향방에 관심

배터리 업계는 현재에 안주하지 않고 새로운 원소를 추가하거나 배합 비율을 미세 조정하는 등 끝없는 실험을 이어가고 있다. 최근에는 니켈 비중은 낮추고 망간 비중을 높여 가격과 안전성을 동시에 잡는 ‘미드니켈(Mid-Ni)’ 기술이나, AI 데이터센터용 UPS(무정전 전원장치)에 최적화된 LMO(리튬·망간·산소) 배터리 등 용도별 특화 제품 개발도 활발하다.

기술의 진화가 거듭될수록 리튬이온 배터리는 더욱 가벼우면서도 멀리 가는, 또한 안전하고 저렴한 형태로 진화할 것으로 기대된다. 소재의 한계를 뛰어넘으려는 배터리 업계의 ‘원소 경제’ 경쟁이 미래 모빌리티와 에너지 산업의 풍경을 어떻게 뒤바꿀지 관심이 모인다.