미드니켈 배터리가 더 안전? 팩트체크 해보니

에코프로 양제헌 이사 "열 전이 상황에선 소재보다 폼팩터 주효"

배터리 업계에서 니켈 비중이 40~60% 수준인 미드니켈 배터리는 상대적으로 니켈 비중이 높은 삼원계 배터리보다 저렴한 중저가 제품으로 주목받고 있다.

가격 외 주목받는 부분이 바로 열 안전성이다. 일반적으로 니켈 비중을 늘릴 수록 배터리 에너지 밀도가 증가하고, 반면 열 안전성은 낮아지는 것으로 평가된다. 때문에 미드니켈 배터리가 하이니켈 대비 안전성도 낫다는 주장이 나온다.

26일 서울 강남구 한국과학기술회관에서 개최된 ‘NGBS 2024’ 세미나에서 발표자로 나선 양제헌 에코프로 이사에 따르면 이는 반은 맞고 반은 틀린 소리다.

양제헌 이사는 이날 발표에서 배터리셀 온도가 높아져 폭발, 화재 등을 일으키는 ‘열 폭주(TR)’, TR이 시작된 셀로부터 다른 셀로 번지는 ‘열 전이(TP)’를 배터리 소재별, 폼팩터별로 시험한 결과를 소개했다.

양제헌 에코프로 이사

결론부터 말하면 TR 단계에선 에너지 밀도에 따라 열 안전성이 반비례한다. 그러나 TP 단계로 진입하면 배터리 소재에 따른 안전성 차이는 두드러지지 않는다. TR이 워낙 고온의 열을 일으키기 때문에, TP 발생 시차가 무의미한 수준으로 작기 때문이다.

양 이사는 “양극재별로 TR 시험 결과를 보면, 리튬인산철(LFP), 미드니켈 양극재가 상대적으로 열 안전성이 우수해 TR까지 더 많은 에너지가 소모된다”며 “LFP를 100으로 놓고 보면 NCM은 40~60% 정도로 소요되는 에너지가 적다”고 설명했다.

소재 외 폼팩터의 영향도 크다. 양 이사는 파우치형보다 각형, 원통형 배터리셀이 TR에 대해 안전한 편으로 나타난 연구 결과를 제시했다. 전류 차단 장치를 두는 설계 구조 때문이다. 다만 TR 테스트 설계 방식에 따라 결과가 달라질 수 있는 만큼, 특정 폼팩터가 더 우수하다고 단정할 순 없다고 덧붙였다.

TP의 경우 TR이 발생한 셀로부터 바로 옆 셀, 두 번째 셀과 세 번째 셀까지 영향을 받는 시간을 측정한 실험 결과를 공유했다. TR이 발생하면 최고 1천도 수준의 고온이 발생하는데, 하이니켈과 미드니켈의 열 분해 개시 온도가 210도, 250도로 매우 낮아 TP 시차는 10초 정도의 차이 밖에 나지 않았다는 것이다. 단 이 결과도 실험 설계에 따라 상이할 수 있다고 첨언했다.

양 이사는 TP를 효과적으로 제어하려면 배터리 소재보다 배터리 폼팩터가 주효하다고 언급했다. 마찬가지로 종류에 따라 전류 차단 장치가 탑재된 경우 일차적으로 TP를 저지하기 때문이다. 원통형 배터리를 기준으로 동일한 실험을 실시했을 때 모든 셀이 TP 영향을 받기까지 200초 정도가 소요된 반면, 파우치형 배터리는 이 시간이 매우 짧았다.

배터리의 열 안전성 문제는 현재 성장이 급속히 둔화된 전기차 시장의 혁신과도 맞닿아 있다는 것이 양 이사 지적이다. 양 이사는 “전기차 ‘캐즘’이 가격에서 왔다는 이야기들이 많은데, 가격의 가장 큰 요인이 배터리”라며 “배터리 가격은 또 메탈 가격에 좌우되는데 현재 메탈 가격은 작년 최고가 대비 니켈은 절반 수준, 리튬은 6분의 1 수준까지 떨어졌다”고 말했다.

이어 “그럼에도 전기차 가격이 낮아지지 않는 건 가격을 가장한 이런 문제들이 남아 있기 때문”이라며 “여러 문제들을 극복하기 위해 업계 단에서 원가가 더 투입되고 있지 않나 싶다”고 분석했다.

양 이사는 “배터리팩에서 어디까지 열 안전성을 잡을 수 있고, 소재 단에선 어디까지 가능할지, 이를 통해 중국의 LFP 배터리 공세를 어떻게 극복해나가야 할지 우리나라 이차전지 업계가 토론해나가야 할 시점이 바로 올해”라고 했다.