[연구그림] 개발된 소재의 주사전자현미경 이미지

[헤럴드경제(울산)=이경길 기자] UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈)는 18일 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수가 창업한 에스엠랩(SMLAB)에서 비싼 코발트(Co) 함량은 1% 미만으로 줄이고, 니켈(Ni) 함량을 98%까지 끌어올린 전기차 배터리용 양극재를 개발했다고 밝혔다. 니켈(Ni) 함량은 배터리 용량을 좌우하는 요소로, 함량을 98%까지 높인 양극재 개발은 이번에 처음 보고됐다.

니켈 함량이 80% 이상인 양극재(NCM, NCA)는 흔히 ‘하이-니켈 소재’라 불린다. 비싼 코발트 사용을 최소화하면서 높은 용량을 발현하므로 배터리 업계에서 주목받았다. 핵심 기술은 니켈 함량을 최대로 높여 주행거리를 늘리면서 수명 특성을 개선하는 것인데, 에스엠랩에서는 니켈 함량을 98%까지 높인 것이다.

일반적으로 니켈 함량이 1% 늘어나면 소재 1kg당 용량은 2Ah(암페어 시)가 증가한다. 니켈 함량을 90%에서 98%로 높이면 용량이 16Ah(암페어 시) 증가하는 효과를 볼 수 있는 것이다.

에스엠랩의 CEO인 조재필 UNIST 특훈교수는 “전기차용 배터리에 일반적으로 사용되는 양극재의 양이 100kg인 점을 고려하면, 1600Ah(암페어 시)만큼의 용량이 늘어나 주행거리 증대로 이어지는 것”이라며 “실제로 Ni98 양극재를 적용한 배터리 셀의 구현용량은 230Ah/kg(그림1)”라고 설명했다.

배터리 용량이 늘어나면 수명 및 안정성은 줄어들 수 있다. 에스엠랩에서는 이 부분을 ‘세라믹 계열의 신규 코팅 물질’을 적용해 개선했다.

또 다른 문제점은 현재 상용 양극재들이 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’라는 데 있다. 다결정 소재는 배터리 재료를 제조하는 공정인 압연 시 쉽게 부서진다. 에스엠랩에서는 ‘단결정 형태’로 양극재를 만들어 이런 문제를 확연히 줄였다.

새로 개발한 Ni98 NCMA 단결정 소재(그림3)는 가장 비싼 성분인 코발트 함량이 1% 미만이라 단가 경쟁에서도 유리하다. 보통 니켈 함량 90%(Ni90) 양극재는 코발트를 5% 이상 사용해 가격을 높이기 때문이다. 조 교수는 “에스엠랩은 경쟁사 대비 2년 앞서 니켈 함량 98% 양극재 개발에 성공한 것”이라고 의미를 부여하며 “2022년 초에 양산 검증을 계획하고 있다”고 밝혔다.

한편, 에스엠랩은 2018년 7월 설립된 스타트업으로 니켈 함량 83% 이상의 NCM(A) 및 NCA를 수세 공정 없이 단결정 형태로 양산화하는 기술을 보유하고 있다. 23년 7월까지 이 단결정 양극재 생산량을 현행 7200톤에서 21,600톤까지 늘릴 계획이다. 에스엠랩의 누적 투자유치금은 640억 원에 이른다.