NCM 배터리의 모든 것: 전기차의 심장 역사, 현재, 그리고 한국의 미래

안녕하세요! Greentech-life 입니다.

 

전기차와 스마트폰, 이제는 우리 삶에서 떼려야 뗄 수 없는 존재들이죠. 이 모든 기기의 심장 역할을 하는 것이 바로 '배터리'입니다. 오늘은 수많은 배터리 중에서도 특히 전기차 시장의 왕좌를 오랫동안 지켜온 NCM(또는 NMC) 배터리에 대해 A부터 Z까지 파헤쳐 보겠습니다. NCM 배터리의 탄생 배경과 화학적 특징부터, 치열한 기술 경쟁의 역사, 그리고 한국 배터리 3사의 미래 전망까지, 이 글 하나로 완벽하게 정리해 드립니다.

 

1. NCM 배터리란 무엇인가? 세 원소의 완벽한 하모니

출처: LG에너지솔루션

 

NCM양극재 형상, 출처:LG케미토피아

 

NCM(LNCMO) 배터리는 리튬이온 배터리의 한 종류로, 양극(+)을 구성하는 핵심 소재의 이름에서 유래했습니다. 이름 그대로 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt), 망간(Manganese) 세 가지 금속산화물을 리튬과 결합해 만듭니다. 화학식으로는 보통 LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂로 표기됩니다.

이 세 원소는 각자 명확한 역할을 수행하며 배터리 성능의 균형을 맞추는 '삼총사'와 같습니다.

출처: LG에너지솔루션

• 니켈 (Ni): 에너지 밀도를 책임집니다. 니켈 함량이 높을수록 더 많은 에너지를 저장할 수 있어, 전기차의 주행거리가 길어집니다.
• 코발트 (Co): 안정성과 수명을 담당합니다. 구조를 안정적으로 유지해 배터리가 빠르게 열화되는 것을 막고, 충·방전 효율을 높입니다.
• 망간 (Mn): 안전성 강화 및 원가 절감 역할을 합니다. 화학 구조를 안정시켜 열폭주 위험을 줄여주고, 비싼 코발트 사용량을 줄이는 데 기여합니다.

이 세 원소의 비율을 어떻게 조절하느냐에 따라 배터리의 특성이 달라집니다. 예를 들어 'NCM622'는 니켈 60%, 코발트 20%, 망간 20%의 비율을 의미합니다. 초기 'NCM111'에서 시작해 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 비중을 80~90%까지 끌어올린 '하이니켈' NCM 배터리가 현재 고성능 전기차의 주력으로 사용되고 있습니다.

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2. NCM 배터리의 탄생과 발전사

리튬이온 배터리 연구로 노벨상 화학상을 수상한 3인, 출처=The Nobel Prize

 

NCM 배터리의 역사를 이해하려면 먼저 리튬이온 배터리의 탄생부터 살펴봐야 합니다. 1970년대 M.S. 휘팅엄의 연구를 시작으로, 1980년 존 B. 굿이너프가 LCO(리튬코발트산화물) 양극재를 개발하며 상용화의 길을 열었습니다.

NCM의 직접적인 등장은 2000년대 초반입니다.

• 2001년: 미국 아르곤 국립연구소의 마이클 새커레이, 크리스토퍼 존슨, 칼릴 아민 등과 캐나다 댈하우지 대학의 제프 단 연구팀이 독자적으로 NCM 양극재의 잠재력을 발견하고 특허를 출원했습니다. 이들의 목표는 LCO의 높은 원가와 안정성 문제를 해결하면서도 높은 에너지 밀도를 유지하는 것이었습니다.
• 2006년: LG화학(현 LG에너지솔루션)이 세계 최초로 NCM 양극재 양산에 성공하며 NCM 배터리 시대를 본격적으로 열었습니다.
• 2010년대: 전기차 시장이 개화하면서 NCM 배터리는 폭발적으로 성장했습니다. BMW i3, 쉐보레 볼트, 현대 코나 일렉트릭 등 수많은 베스트셀링 전기차에 탑재되며 '전기차 배터리의 표준'으로 자리매김했습니다.

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3. 파나소닉과 테슬라: NCM의 글로벌 확산을 이끈 운명적 파트너십

Yoshihiko Yamada & Elon Musk, Panasonic

NCM 배터리의 역사에서 빼놓을 수 없는 것이 바로 파나소닉과 테슬라의 전략적 파트너십입니다. 이 두 회사의 만남은 전기차 시장과 NCM 배터리 기술의 발전에 결정적인 전환점이 되었습니다.

 

파나소닉의 배터리 기술력과 테슬라의 비전

파나소닉은 수십 년간 축적된 배터리 제조 노하우를 바탕으로, 테슬라가 추구하는 고성능 전기차에 필요한 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리를 공급해왔습니다. 특히 테슬라 Model Y의 북미 시장 배터리 대부분이 파나소닉 제품으로, 이들의 협력은 테슬라가 전기차 시장의 선구자로 자리매김하는 데 핵심 역할을 했습니다.

파나소닉 NCA 배터리, 출처=파나소닉

 

기가팩토리: 대량생산의 혁명

두 회사는 네바다 기가팩토리에 공동 투자하여 리튬이온 배터리의 대량생산 체제를 구축했습니다. 이는 단순한 공급 관계를 넘어 "mine-to-market" 통합 운영의 선구적 사례가 되었으며, 배터리 원가 절감과 품질 향상을 동시에 달성했습니다.

파나소닉은 2024년 3월 기준 3.0GWh를 기록하며 글로벌 배터리 시장 4위를 차지했고, 최근 차세대 2170 및 4680 셀 기술을 공개하며 테슬라와의 파트너십을 더욱 확대할 예정입니다.

네바다 기가팩토리, 출처=테슬라

 

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4. 왜 시장은 NCM을 선택했는가? (LFP, NCA와의 비교)

NCM이 시장의 주류가 될 수 있었던 이유는 '균형 잡힌 성능' 덕분입니다. 경쟁 기술인 LFP, NCA와 비교하면 그 장점이 명확히 드러납니다.

전기차배터리, 사진=nexdrive

 

특성	NCM (니켈·코발트·망간)	LFP (리튬인산철)	NCA (니켈·코발트·알루미늄)
에너지 밀도	높음	낮음	매우 높음
안전성	우수	매우 우수	상대적으로 낮음
수명	김	매우 김	보통
가격	중간	저렴	높음
주요 용도	주류/고성능 전기차, ESS	보급형 전기차, ESS	프리미엄 전기차, 전동공구

 

LFP는 저렴하고 매우 안전하지만 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 단점이 있습니다. 반면 NCA는 에너지 밀도가 가장 높지만 안정성이 상대적으로 낮고 제조가 까다롭습니다. NCM은 이 둘 사이에서 에너지 밀도, 안정성, 수명, 가격 등 모든 면에서 준수한 성능을 보이며 가장 폭넓은 지지를 받았습니다.

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5. 시장 변화: 캐즘의 순간, 그리고 새로운 전장

모델3의 LFP 배터리, 사진=paultan.org

시장 점유율의 대격변

한때 NCM이 독주하던 전기차 배터리 시장에 거대한 지각변동이 일어나고 있습니다. 2024년 기준, LFP 배터리가 글로벌 전기차 배터리 시장의 40%를 장악하며 NCM의 아성에 정면 도전하고 있습니다.

반면 NCM 8-Series(니켈 함량 80%)는 163.2GWh로 2위를 기록했지만, 성장률은 20%에 그쳐 LFP의 급성장에 밀리고 있는 상황입니다. 특히 주목할 점은 NCMA 배터리의 폭발적 성장입니다. GM과 LG에너지솔루션의 합작회사 Ultium Cells가 공급하는 NCMA 배터리는 전년 대비 9배 가까운 성장을 보이며 19.9GWh를 기록했습니다.

 

NCM 전구체, 사진=ChatGPT

시장 규모와 매출의 극적 성장

글로벌 NCM 배터리 소재 시장은 2025년 27억 달러에서 2035년 115억 달러로 연평균 15.7% 성장할 전망입니다. 이는 단순한 숫자가 아닙니다. 전 세계가 탄소중립을 향해 달려가는 대전환의 시대에서 NCM 배터리가 여전히 핵심 동력원 역할을 하고 있다는 증거입니다.

더욱 놀라운 것은 NCM 전구체 소재 시장입니다. 2024년 105억 달러에서 2033년 252억 달러로 10년 만에 2.4배 성장할 것으로 예상됩니다. 이는 전기차 시장이 2021-2030년 연평균 20% 이상 성장할 것이라는 미국 에너지부 전망과 맞물려 있습니다.

 

캐즘을 넘어서는 기술 혁신

현재 배터리 시장은 기술 혁신의 캐즘(Chasm)을 맞고 있습니다. 리튬이온 배터리가 전체 시장의 99% 이상을 차지하고 있지만, 2035년에는 차세대 배터리 기술이 25% 이상을 점유할 것으로 예상됩니다.

이 변화의 중심에는 NCM의 진화가 있습니다:

• NMC622: 2025-2035년 연평균 14.9% 성장으로 시장을 주도할 전망
• NMC955: 17.1%의 가장 높은 성장률로 고급 전기차와 항공우주 분야 공략
• NCMA: 코발트 함량을 5% 이하로 줄이며 원가와 성능을 동시에 확보

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6. 위기와 기회: LFP의 부상과 NCM의 진화

영원한 왕은 없듯, NCM도 새로운 도전에 직면했습니다.

 

BYD블래이드 배터리, 사진=BYD

LFP의 역습

최근 중국 기업들을 중심으로 LFP 배터리의 기술 발전(셀투팩, 블레이드 배터리)과 가격 경쟁력이 부상하며 보급형 전기차 시장을 빠르게 장악하고 있습니다. GM과 같은 대형 완성차 업체들도 주력 모델에 LFP 채택을 선언하며 NCM을 위협하고 있습니다.

 

안전성 논란

과거 국내에서 발생했던 ESS(에너지저장장치) 화재 사고 대부분이 NCM 배터리에서 발생하며 'NCM은 위험하다'는 인식이 퍼지기도 했습니다. 이는 배터리 자체의 문제라기보다 관리 시스템의 문제였지만, 열적 안정성이 뛰어난 LFP와 비교되며 NCM의 약점으로 부각되었습니다.

 

NCM의 진화, NCMA

이러한 도전에 맞서 NCM은 스스로 진화하고 있습니다. NCM에 소량의 알루미늄(Al)을 추가한 NCMA 배터리가 대표적입니다. NCMA는 NCM의 안정성을 유지하면서도 NCA처럼 에너지 밀도를 극대화하고, 코발트 사용량을 줄여 가격까지 낮춘 '하이브리드' 기술입니다.

NCMA 배터리, 사진=LG에너지솔루션

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7. 한국 배터리 3사의 미래와 NCM의 전망

이러한 시장의 격변 속에서 NCM 기술을 선도해 온 한국 배터리 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온)는 어떻게 대응하고 있을까요? 이들의 전략은 '투트랙'과 '초격차'로 요약할 수 있습니다.

 

LG에너지솔루션

미드니켈, 사진=LG에너지솔루션

• 고전압 미드니켈 NCM: 니켈 함량을 50~60% 수준으로 유지하면서 전압을 높여 에너지 밀도를 끌어올리는 신기술을 2025년 양산 목표로 개발 중입니다. 가격과 성능을 모두 잡는 전략입니다.
• LFP 병행 생산: 미국 GM과의 합작공장에서 LFP 배터리 생산을 준비하며 보급형 시장에 적극 대응하고 있습니다.

SK온

NCM9, 사진=SK온

 

• 하이니켈 NCM 리더십: 세계 최고 수준의 NCM9(니켈 90%) 배터리 기술력과 5분 충전으로 300km를 주행하는 초급속 충전 기술 개발에 집중하며 프리미엄 시장의 '초격차'를 유지하려 합니다.
• 포트폴리오 다각화: 파우치형에 이어 각형 배터리 시제품을 생산하고, LFP와 코발트프리 배터리 개발에도 나서며 시장 변화에 유연하게 대처하고 있습니다.

삼성SDI

46파이 배터리, 사진=삼성SDI

• 프리미엄 집중: NCA와 차세대 원통형 배터리(46파이) 등 고성능 프리미엄 제품에 집중해왔습니다.
• LFP 시장 진출: GM과의 JV를 통해 LFP 생산 라인을 구축, NCM 중심에서 벗어나 시장 다변화를 꾀하고 있습니다.

정부의 전략적 지원

한국 정부는 2024년 차세대 배터리 기술 개발에 1,100억 원 투자를 승인했습니다5. 리튬-황, 리튬 메탈, 전고체 배터리 등 차세대 기술과 함께 NCM 기술의 고도화도 지원하고 있습니다.

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결론: 끝나지 않은 왕좌의 게임 - 새로운 시대의 서막

NCM 배터리는 LFP의 거센 도전과 NCMA라는 새로운 진화 속에서 치열한 생존 경쟁을 벌이고 있습니다. 더 이상 유일한 왕은 아니지만, 고성능 프리미엄 시장에서는 여전히 대체 불가능한 존재입니다.

2025년, 우리는 배터리 역사상 가장 극적인 전환점을 목격하고 있습니다. 한때 NCM이 독주하던 시장에 LFP가 40%의 점유율로 맞서고, NCMA가 9배 성장하며 새로운 강자로 떠오르고 있습니다. 이는 단순한 기술 경쟁을 넘어 에너지 패러다임의 대전환을 의미합니다.

한국 배터리 3사는 NCM 기술의 '초격차'를 유지하며 프리미엄 시장의 왕좌를 지키는 동시에, LFP와 NCMA라는 새로운 무기를 장착하며 변화하는 시장에 적응하고 있습니다. 앞으로 전기차 배터리 시장은 하나의 기술이 독주하는 시대가 아닌, 용도와 가격에 따라 NCM, LFP, NCMA가 공존하는 '춘추전국시대'가 될 것입니다.

그리고 그 중심에서 한국 기업들의 지혜로운 전략이 빛을 발하기를 기대해 봅니다. 2035년 115억 달러 시장을 향한 대장정이 이제 막 시작되었습니다.

 

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