[IT백과]전기차 배터리 시장의 쌍두마차 `삼원계`와 `LFP`

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[IT백과]전기차 배터리 시장의 쌍두마차 '삼원계'와 'LFP'

디지털데일리 발행일 2023-03-15 09:04:56

이건한

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정보기술(IT) 영역에 관한 모든 지식을 압축해 풀이합니다. IT산업에 꼭 필요한 용어들을 소개하고, 살펴보면 좋을 쟁점들도 정리합니다. IT가 처음인 입문자라면 혹은 동향을 알고 싶은 전문가라면, 디지털데일리의 ‘IT백과’를 참고하세요. <편집자주>

[디지털데일리 이건한 기자]최근 국내 최대 규모의 배터리 산업 전시회 ‘인터배터리 2023’에선 국내 주요 이차전지 제조기업인 LG에너지솔루션과 SK온이 자체 개발한 ‘LFP 배터리’ 제품을 새롭게 선보여 눈길을 끌었습니다. 그간 ‘삼원계 배터리’ 기술에서 강점을 보인 두 기업이 중국이 주도해온 LFP 배터리 개발에 뛰어든 점은 세간의 관심을 끌 만했습니다.

삼원계 배터리와 LFP 배터리는 제조에 사용하는 양극재 소재에 따른 구분인데요. 지금까지 글로벌 전기차 시장에선 1회 주행거리가 길고 상대적 연비가 뛰어난 삼원계 배터리가 ‘대세’였습니다.

하지만 최근에는 가격 경쟁력과 화재 안정성 측면에서 뛰어난 LFP 배터리에 대한 관심도 높아지고 있습니다. 이는 한국 배터리 제조사들이 LFP 배터리 개발에 관심도를 높인 이유가 중국 전기차 배터리 제조사들과의 경쟁, 시장 수요에 따른 대응 움직임으로도 풀이되는 이유입니다.

◆ 가볍게 멀리 뛰는 삼원계 배터리

두 배터리의 장단점은 명확합니다. 우선 삼원계는 산업용 이차전지의 표준처럼 쓰이는 ‘리튬이온전지’에서 양극재에 리튬 코발트 산화물(LCO)를 기본으로, 3가지 금속 원소를 혼합해 만든 배터리를 말합니다. 전기차용 배터리에선 주로 주로 ‘니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)’ 혹은 ‘니켈, 코발트, 알루미늄(Ai)’ 조합으로 삼원계가 구성되며, 원소의 이름을 따 각각 ‘NCM’과 ‘NCA’로 불립니다. 이 중 니켈은 삼원계 배터리의 에너지 밀도를 좌우하는 핵심 소재입니다. 코발트와 망간은 배터리의 화학적 안정성을 높이는 역할을 합니다.

<출처=LG에너지솔루션>

삼원계 배터리의 강점은 니켈 함량에 따라 높아지는 에너지 밀도입니다. 배터리의 에너지 밀도가 높으면 더 많은 전기 에너지를 충전할 수 있고, 이것이 곧 주행거리를 좌우합니다. 또한 삼원계 배터리는 후술할 LFP 배터리 대비 무게도 가볍습니다. 에너지 밀도가 높으면서 무게가 가볍다는 건, 전기차에 적용 시 대용량 배터리를 더 좋은 연비로 활용할 수 있단 뜻입니다.

대신 높은 가격과 낮은 안정성은 단점입니다. 삼원계 배터리의 주요 소재인 코발트는 전세계 매장량이 극히 적고 생산량의 60% 이상이 콩고민주공화국 1개 나라에 집중돼 공급 안정성이 낮은 자원입니다. 전기차 수요가 늘면서 몇 년 새 가격도 급등했고요. 이에 배터리 제조사들은 니켈 함량을 80~90%까지 늘린 ‘하이니켈 배터리’로 코발트 의존도를 낮추고 있지만, 니켈 또한 희귀 금속에 속합니다.

삼원계 양극재는 LFP 배터리 대비 화학적 구조가 불안정해 충격이나 고온 상황에서 열폭주 가능성이 상대적으로 높습니다. 열폭주가 일어난 배터리는 진압이 어려운 큰 화재로 이어지기 쉬워 전기차의 불안 요소 중 하나로 꼽힙니다.

◆ 값싸고 안정적인 LFP 배터리

양극재로 리튬인산철(Li- FePO4)을 사용한 LFP 배터리는 삼원계 배터리와 정반대의 장단점을 갖고 있습니다. 우선 핵심 소재인 철(Fe)은 지구상에 가장 풍부한 소재 중 하나로, 이를 활용한 LFP 배터리 가격은 삼원계 대비 약 30% 이상 저렴합니다.

또 리튬인산철은 화학적으로 크리스털 형태의 육면체들이 격자 구조로 연결된 ‘올리빈 구조’로 이뤄져 있습니다. 따라서 원소 결합이 안정적이며, 덕분에 배터리 과충전이나 과방전으로 인한 화재 위험성이 낮은 편입니다. 배터리 셀 열화에도 강해 배터리의 전반적인 수명도 긴 편이고요.

<출처=LG에너지솔루션>

LFP 배터리는 삼원계와 달리 낮은 에너지 밀도와 무거운 무게 탓에 1회 주행거리가 짧은 점이 단점입니다. 전기차 시장 초기엔 주목받지 못했습니다. 그러나 2020년 전세계 전기차 시장을 주도하는 테슬라가 저가형 트림에 LFP 배터리를 도입하면서 경쟁사들도 이를 속속 도입하고 있습니다. 2021년엔 메르세데스-벤츠와 폴크스바겐, 2022년엔 포드도 LFP 배터리 도입을 선언했죠.

일각에선 ‘삼원계 배터리와 LFP 배터리 중 무엇이 더 좋은가’를 두고 비교하지만 두 배터리의 장단점은 언급된 것처럼 명확하고 상반됩니다. 가격을 따지지 않는 고급 자동차일수록 가볍고 멀리 운행할 수 있는 삼원계 배터리 수요가 높고, 짧은 시내 주행 비중이 높고 가성비가 중요한 모델일수록 LFP 배터리 탑재가 유리할 수밖에 없기 때문입니다.

게다가 전세계 전기차 시장은 아직 ‘초기단계’입니다. 내연기관차의 단종은 2030년 이후에나 가능할 전망입니다. 따라서 전기차 시장은 향후 10년 이상 내연기관을 대체하며 점진적으로 성장할 전망인데요. 삼원계 배터리와 LFP 배터리는 이 가운데 발생할 다양한 전기차 수요에 따라 적절히 활용되면서, 시장 확대를 가속하는 ‘쌍두마차’의 역할을 할 것으로 기대됩니다.