에코프로비엠은 니켈 함량 80% 이상 NCA·NCM 양극재로 국내 시장을 선도해왔지만, 최근 사업보고서에서 코발트프리(NMX) 양극재를 포함한 차세대 소재 포트폴리오 확대 방침을 밝혔다. 니켈 비중을 높일수록 에너지밀도는 올라가지만 구조적 불안정성과 발열 위험도 함께 커져, 이를 제어하는 표면 코팅·첨가제 특허가 하이니켈 경쟁의 핵심 축이 되고 있다.
기본 원리
하이니켈 양극재(NCM, NCA)는 니켈 비중이 높을수록 층상 구조의 리튬 자리가 늘어나 용량이 커진다. 문제는 니켈이 많아질수록 표면의 Ni2+/Ni3+ 산화 상태가 불안정해져, 충방전 중 표면에서 산소가 이탈하며 격자 붕괴(양이온 혼합)가 촉진된다는 점이다. 이 표면 열화는 전해액과의 부반응, 가스 발생, 결국 열폭주로 이어질 수 있다. 특허 대응은 대체로 입자 표면에 안정적인 코팅층을 씌우는 방식으로 수렴한다.
특허 관점
KR101913939B1(리튬이차전지 양극 소재 계면 안정성 개선을 위한 유기 첨가제 코팅 방법)의 핵심은 고용량 High-Ni계 LiNixCoyMnzO2(NCM) 양극 활물질 표면에 설포네이트계 유기 첨가제를 코팅하는 구성이다. 무기물(금속산화물) 코팅이 주류이던 기존 접근과 달리 유기 첨가제를 택했다는 점이 특징으로, 코팅층이 전해액과 활물질 표면 사이의 계면 안정성을 개선해 부반응을 억제하는 것을 목표로 한다. 청구범위는 코팅 대상을 하이니켈 NCM으로 한정해, 저니켈 조성에는 권리범위가 미치지 않도록 설계됐다.
에코프로비엠이 강조해온 ‘코어쉘그래디언트(CSG)’ 기술은 접근이 또 다르다. 입자 중심에서 표면으로 갈수록 조성이 점진적으로 바뀌는 구조로, 표면은 니켈 함량을 낮춰 안정성을 높이고 코어는 니켈 함량을 유지해 용량을 지키는 방식이다. 이는 코팅이라는 ‘외부 처리’가 아니라 입자 합성 단계에서부터 조성 구배를 설계하는 것으로, 코팅 특허와는 청구범위의 층위 자체가 다르다.
한계와 전망
표면 코팅과 조성 구배 기술 모두 니켈 90% 이상 초고니켈 영역에서는 효과가 한계에 부딪힌다는 게 업계의 공통된 시각이다. 코발트프리 양극재(NMX), 하이망간(OLO) 등 니켈 의존도 자체를 낮추는 신소재 특허가 늘어나는 추세는 이런 한계를 반영한다. 앞으로는 “니켈을 더 넣는” 경쟁에서 “니켈 없이도 에너지밀도를 지키는” 경쟁으로 무게중심이 옮겨갈 가능성이 있다.
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