[알쓸광잡] 니켈은 ‘악마의 구리’였다

[이뉴스투데이 김덕형 기자] 니켈은 전기차용 배터리를 만드는 핵심 광물이다. LG에너지솔루션과 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사가 주력으로 생산하는 삼원계 배터리(NCM·NCA)의 핵심 원료로 쓰인다.

니켈은 배터리에서도 양극재를 구성하는 요소다. 양극재는 일반적으로 니켈, 망가니즈, 코발트, 알루미늄 등을 조합해 만드는데, 그 구성에 따라 배터리의 용량과 출력 등 성능이 변한다

이러한 양극재 소재 중 니켈 함량이 높은 이차전지는 에너지 밀도가 높아 한 번 충전 시 주행거리가 늘어난다는 장점이 있다.

이에 배터리 업계에서는 양극재 소재 가운데 비싼 코발트의 함량은 줄이고 용량과 출력을 높일 수 있는 니켈의 비중을 높이는 연구를 진행하고 있다.

그렇게 니켈 비중이 높은 양극재가 들어간 배터리를 ‘하이니켈(High-Ni) 배터리’라고 부른다. 향후 전기차 배터리의 대세가 될 것이란 기대를 한 몸에 받고 있다.

하이니켈 배터리 연구가 어려운 이유는 니켈 함량이 높아질수록 배터리 안정성 문제가 커지기 때문이다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 국내 배터리 3사는 각각의 다른 기술 개발로 보완에 나서고 있다.

LG에너지솔루션은 알루미늄을 추가해 안전성을 높였다.

SK온은 배터리 내부 분리막을 쌓을 때 양극과 음극을 ‘Z’ 모양으로 감싸 두 극을 완벽히 분리했다.

삼성SDI는 알루미늄 소재와 특수코팅 기술을 더해 배터리 열화를 최소화했다.

한편, 니켈은 원자번호 28번의 금속 원소로 원소기호는 ‘Ni’를 쓴다. 니켈의 대표적인 특징은 은백색의 강한 광택을 지닌 금속이란 점이다. 공기 중에서 산화 반응을 일으키지 않아 도금이나 합금 재료로 널리 쓰이고 있다.

대표적인 니켈 합금인 백동은 구리와 결합해 마모나 부식에 강하고 아름다운 은색을 띄어 세계 각국에서 동전 재료로 많이 사용된다. 그 가운데 미국의 5센트 동전은 니켈의 함유량이 다른 동전보다 많아 ‘니켈(Nickel)’이란 별명으로 불리고 있다.

하지만 중세 독일에서는 니켈을 ‘악마의 구리’라는 뜻인 ‘쿠페르니켈(Kupfernickel)’이라 불렀다.

독일 에르츠산맥(Erzgebirge)의 광부들이 구리 광석과 비슷한 붉은색 광석을 발견했는데 이것은 오늘날 니콜라이트(홍비니켈석)라 불리는 비소화니켈(NiAs)이 주성분인 광석이었다.

이 당시 광부들은 구리가 포함돼 있다고 생각해 구리 추출을 시도했는데 구리는 추출되지 않고 독성이 있는 증기(산화비소, AsO3)만 발생해 이 광석을 ‘악마의 구리’라 칭한 것이다.

그러던 1751년에 스웨덴의 야금학자인 크론스테드(A. F. Cronstedt)가 역시 구리를 추출하기 위해 쿠페르니켈 표면을 덮은 결정서 얻은 산화물을 가지고 환원 실험을 진행했다.

그러자 구리가 아닌 흰 금속이 나왔고 이 금속을 쿠페르니켈(Kupfernickel)에서 구리를 의미하는 쿠페르(Kupfer)를 제거하고 ‘니켈(Nickel)’이라 명명했다.

최근 배터리의 중요성이 커지는 만큼 니켈의 수요도 점점 늘어나며 갈수록 니켈을 확보하고자 하는 경쟁이 치열해지고 있다. 광산이 캐나다, 러시아, 인도네시아, 짐바브웨, 오스트레일리아 등에 집중되어 있고 그리 흔하지 않기 때문이다.

무엇보다 전 세계에서 니켈 매장량이 가장 많은 국가는 인도네시아로 생산량도 전 세계 약 30%를 점유하고 있는 것으로 알려져 있다.