▲ 다결정 및 단결정 양극 소재 비교. 압연 후 다결정 소재는 입자가 붕괴돼 전해액 분해 반응을 가속화하고 가스를 발생시킨다. 반면, 단결정은 입자 붕괴 현상을 최소화해 가스 발생과 불필요한 반응이 억제된다. 다결정 Ni소재는 현재 모든 소재업체에서 NCM, NCM (A) 조성 등으로 양산 중이다. (그림제공=UNIST)  © 특허뉴스

UNIST 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수가 창업한 에스엠랩(SMLAB)이 값싼 망간과 니켈로만 구성된 단결정 양극재를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 기존 양산형 배터리에 쓰는 LFP 소재보다 에너지밀도를 2배 이상 증가시켜, 더 적은 양을 써도 동일한 거리를 갈 수 있는 용량의 전기차 배터리를 만들 수 있다.

참고로, LFP(LiFePO4, LFP)는 리튬인산철 소재로 Kg당 가격이 11.3불로 기존 배터리 소재인 NCM811 대비 2.7배 저렴하다.

배터리 양극재는 전체 배터리 가격에서 35% 이상을 차지할 정도로 고가다. 이 때문에 전기차 가격경쟁력을 위해서는 이를 대체할 소재 개발이 필수적이다. 테슬라가 지난해 기본형 모델 전기차에 LFP 배터리를 탑재하겠다고 밝힌 것도 이 같은 맥락이다. LFP 양극재는 기존 전기차 배터리 양극재 보다 소재 가격이 3배 가까이 싸기 때문이다.

▲ LFP, 다결정 NCM811, 다결정 NCA (Ni 함량 88%), 그리고 단결정 Mn 계 산화물(개발한 소재)의 용량, 에너지밀도, 소재 KG당 가격 및 1KWh 셀에서의 단가 비교. (자료제공=UNIST)  © 특허뉴스

하지만 실제로 LFP를 쓴 배터리 가격은 기존 소재를 쓴 배터리 가격 보다 약 20% 정도만 저렴하다. 이 소재는 에너지 밀도가 낮은 특성 때문에 더 많은 양을 써야 기존 소재와 동일한 수준의 배터리 용량을 맞출 수 있기 때문이다.

에스엠랩이 개발한 소재는 LFP 소재 대비 에너지 밀도가 2배 이상 높다. 값싼 망간과 니켈이 3:1의 비율로 섞인 소재로 값비싼 코발트의 함량은 0이다.

자체 개발한 입자 성장 촉진제를 소량 첨가하여 마이크로미터 수준으로 입자 하나의 크기를 키우는 데 성공했다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 입자 하나의 크기를 적당히 키워야 하는데, 일반적으로 망간 함유량이 높아지면 입자 크기를 키우기 힘들다. 망간계 소재는 2010년대에 상용화 개발을 진행했으나, 단일 입자가 300나노미터(nm, 10-9m) 이하의 다결정형태로만 만들어져 상용화에 어려움이 있었다. 또 망간계 전극 소재의 문제점인 낮은 출력 특성은 전도성 코팅을 독자 개발해 극복했다. 이 소재는 고온에도 강하다는 장점도 있다.

조재필 대표는 “경쟁사 대비 2년 앞서 LFP 대체재 양극재 개발을 세계 최초로 성공한 것”이라며 “해외 고객사와 양산 검증을 거쳐 2022년 4분기부터 EV용 배터리 실증 테스트를 계획하고 있다”고 밝혔다.

LFP 배터리는 그 간 중국이 주도해 왔지만, 테슬라 외에도 포드, 폭스바겐 등이 전기차에 LFP 배터리 탑재를 검토함에 따라 LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리사도 이에 뛰어들고 있다. 하지만 LFP 소재는 소재 특성상 그 입자를 수백나노 크기로 작게 만들어야만 배터리 전극 소재로 쓸 수 있다. 입자 크기가 작아지게 되면 입자간의 못 쓰는 공간이 많아져서 똑같은 통에 담았을 때 더 적은 양을 담을 수밖에 없고, 단위 부피당 용량인 에너지 밀도가 떨어지게 된다.

한편, 에스엠랩은 2018년 7월 창업한 스타트업으로, 니켈 함량 83% 이상의 양극재인 NCM(A)와 NCA를 수세 공정 없이 단결정형 분말로 양산화하는 기술을 보유하고 있다. 최근에는 니켈함량 98% 이상인 NCM 단결정 양극소재의 양산화에 성공을 했다. 작년 12월달에 450억원의 시리즈 C(Pre-IPO) 투자자금을 유치하였고, KTB 네트워크, 위드원 인베스먼트, KDB 산업은행, KT&G, 한양증권, SV 인베스먼트, 동유, 뮤렉스파트너스 등이 투자자로 참여를 했다. 현재까지 누적 투자유치금은 1,090억이고 올 7월에 코스닥 상장을 준비 중이다.