VW′s Long-Term, High-Manganese Cathode Strategy
폭스바겐의 장기, 고망간 양극 전략
2021년 03월호 지면기사  /  글 | 윤범진 기자


폭스바겐이 ‘파워 데이(Power Day)’에서 볼륨 세그먼트에 고망간(High-manganese) 양극재 사용에 대한 장기 전략을 언급했다. 이와 관련, IDTechEx는 폭스바겐이 고망간 양극재를 개발하려는 동기가 에너지 밀도 향상이 아닌, 비용을 줄이고 코발트를 사용하지 않으려는 목적에서 비롯된 것이라고 지적했다. 

글 | 윤범진 기자

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3월 폭스바겐의 파워 데이(Power Day)는 전기차 배터리 셀 생산을 위한 종합적인 네트워크 개발에 초점을 맞췄다. 총 용량이 240기가 와트인 6개의 기가팩토리가 2030년까지 유럽에만 건설될 예정이다. 프리미엄 셀 생산은 스웨덴 '노스볼트‘ 기가팩토리에 집중되고 현재 폭스바겐이 운영 중인 살츠기터(Salzgitter) 기가팩토리는 2025년부터 볼륨 부문의 단위 셀을 생산할 예정이다. 이 셀이 2030년 모든 브랜드, 그룹 전체 전기차의 최대 80%에 장착될 예정이다. 

기술 로드맵의 가장 중요한 목표는 배터리의 복잡성과 비용을 대폭 절감해 가능한 많은 사람들이 전기차를 매력적이고 저렴하게 이용할 수 있도록 하는 것이고, 동시에 그룹이 충분한 배터리 셀 수요를 확보하는 것이다. 폭스바겐은 특히, 엔트리 레벨의 배터리 비용을 최대 50%, 볼륨 부문 비용을 최대 30%까지 단계적으로 인하할 계획이라고 밝혔다.

폭스바겐은 볼륨 세그먼트에 고망간(High-manganese) 양극재 사용에 대한 장기 전략을 언급했다. 이와 관련, IDTechEx는 폭스바겐이 고망간 양극재를 개발하려는 동기가 에너지 밀도 향상이 아닌, 비용을 줄이고 코발트를 사용하지 않으려는 목적에서 비롯된 것이라고 지적했다. 

고망간 양극재는 여러 가지 다른 소재를 총칭한다. 따라서 폭스바겐이 언급한 특정 소재는 불분명하다. 고망간 양극재 옵션으로는 LMO(리튬-망간 산화물), LNMO(리튬-니켈-망간 산화물), Li-Mn-rich(약칭 LMR-NMC), LMP(리튬망간인산염) 또는 LMFP (리튬인산철+망간) 등이 있다. NMC 811과 3개의 고망간 양극재(LMFP, Li-Mn-rich, LNMO)를 비교하면 성능의 트레이드오프가 수반됨을 알 수 있다. 

IDTechEx는 각 옵션을 자세히 살펴보면, 사용을 위해 개발 중인 특정 재료에 대한 통찰력을 얻을 수 있다고 말했다(그림 1).    



그림 1| NMC 811과 3개의 고 망간 양극재(LMFP, Li-Mn-rich, LNMO) 간의 비교   출처| IDTechEx



▶LMO(LiMn2O4): 우선, 시판되는 고망간 양극재는 이미 1세대 닛산 리프에 사용된 리튬-망간 산화물 스피넬 형태로 존재한다. 그러나 고온에서 분해가 가속화돼 사이클 수명이 단축되는 문제로 후속 닛산 리프 세대는 LMO를 NMC로 대체했다. 이론적 용량이 148 mAh/g에 불과하고 평균 방전 전압이 약 4.0~4.1 V인 이 양극재는 최신 NMC 또는 NCA 층상계 산화물을 사용하는 전지에 비해 에너지 밀도가 낮다.

▶LMP(LiMnPO4) 및 LMFP(LiMnxFe1-xPO4): LMP는 LFP와 동일한 감람석 결정 구조(olivine crystal structure)를 공유하지만, 더 높은 전압과 에너지 밀도를 제공한다. 사이클 수명은 망간 함량이 높아 낮은 경향이 있는 반면, 소재의 전자 및 이온 전도성이 좋지 않아 합리적인 용량은 일반적으로 낮은 충전/방전 속도에서만 측정된다. LMFP를 제조하기 위해 철(Fe)을 추가하면 전도도와 사이클 수명이 향상될 수 있지만, 평균 전압은 낮아진다. LMFP는 LFP와 NMC/NCA 사이의 간격을 메울 수 있으나 LMP와 LMFP의 가역 용량(reversible capacities)이 너무 낮아 NMC/NCA를 사용하는 전지의 셀 수준 에너지 밀도에 도달할 수 없다.

▶Li-Mn-rich(xLi2MnO3 · (1-x) LiMO3, 여기서 M = Ni, Mn, Co): 과량의 리튬-망간을 함유한(Li-Mn-rich, LMR) 층상계 산화물 양극재는 변환형(conversion type) 양극재와 함께 최신 NMC와 NCA 소재에 비해 용량 향상을 제공하는 몇 가지 옵션 중 하나다. 그러나 안정성과 사이클 수명이 좋지 않아 상용화를 위해서는 상당한 개선이 필요하다. 바스프(BASF)의 고 망간 양극재인 NCM 217은 망간이 70%로 LMR 유형의 소재라고 할 수 있다.

이를 근거로, IDTechEx는 폭스바겐이 언급한 가장 유력한 양극재로 LNMO를 지목했다. 

고전압 LNMO 스피넬(LiNi0.5Mn1.5O4)은 Li/Li+ 대비 약 4.7 V의 높은 작동 전압을 가지며, 또한 3차원 구조(Li 확산 경로 개선)로 인해 고출력 양극재로서의 잠재력을 가지고 있다. 그러나 이론적인 비 용량(specific capacity)이 147 mAh/g에 불과해 고니켈(high-Ni) NMC 또는 NCA 양극재에 비해 비 에너지 또는 에너지 밀도에 어떤 이점도 제공하지 않는다.또한, LNMO의 주요 문제점은 특히 고온에서 사이클 수명과 안정성이 떨어진다는 것이며, 높은 전압을 위해 전해질 개발도 필요하다. 

폭스바겐이 언급했듯이 고망간 양극재 사용은 장기적인 전략이다. 그럼에도, Haldor Topsoe, NEI Corporation, Targray 등의 회사가 LNMO를 상업적으로 개발했다. 에너지 밀도를 크게 희생시키지 않고 소재가 보유한 비용 절감 가능성과 코발트 소비를 없앨 가능성은 LNMO가 미래가 있음을 보여준다. 

그래프는 LNMO와 같은 고망간 양극재가 니켈과 코발트 집중도를 모두 감소시켜 리튬이온 배터리 가격을 낮출 수 있는 길을 제시한다(그림 2).  


그림 2| 주요 금속의 물질집중도(kg/kWH)    출처| IDTechEx

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