NCM vs LFP: 구조속에 숨겨진 비밀

NCM vs LFP: 구조 속에 숨겨진 비밀

대학생신재생에너지기자단 30기 최한결

NCM? LFP? 이차전지를 공부하며 듣게 될 두 소재

이차전지에 대한 기사를 읽거나 자료를 찾아보면 NCM과 LFP라는 단어를 굉장히 많이 접할 수 있다. 배터리에는 많은 소재가 있지만 이 두 가지 소재가 현재 시장에서 압도적으로 사용되기 때문에 대중이 가장 쉽게 접할 수 있고 많은 연구가 이뤄지고 있다.

필자가 한 포털사이트에 NCM과 LFP를 각각 검색했을 때, 대부분의 자료에서 NCM은 성능이 좋지만 위험성이 높으며 니켈, 코발트, 망간이 사용된다는 것과 LFP는 안전성이 뛰어난 대신 성능이 낮고 리튬인산철을 사용한다는 정도의 정보를 얻을 수 있었다.

이에 대한 설명을 보다 구체화시킨 것이 전기 자동차에 사용되는 배터리에 대한 설명이었다. 60kWh 배터리를 기준으로 NCM은 약 400km 이상, LFP는 약 350~380km 수준의 주행이 가능하지만, 배터리 안정성 문제로 NCM은 80% 정도의 충전이 권장된다는 점, LFP 배터리는 3,000~5,000사이클, NCM은 1,000~2,000사이클 정도의 수명 특성을 가진다는 것을 알 수 있었다.

이렇게 각각의 배터리 성능에 대한 자료는 쉽게 찾아볼 수 있었다. 하지만, 리튬 양극재를 기반으로 하는 두 배터리가 왜 전혀 다른 성능을 보이는 것일까? 답은 두 소재의 구조적 차이에 있다.

NCM에 사용되는 소재와 구조적 특징, 그에 따른 성능

NCM이 정확히 무엇일까? 그것을 알기 위해선 전이 금속에 대하여 알아야 한다. NCM이라고 많이 불리는 니켈, 코발트, 망간은 사실 양극재에 사용되는 전이 금속들이다. 전이 금속이란 주기율표 3족부터 12족에 속한 원소를 말한다. 전이 금속은 여러 가지 특징을 가지고 있지만 양극 소재에 전이 금속이 사용되는 이유는 여러 가지 형태의 산화수가 존재할 수 있다는 점과 산소와 강한 결합을 한다는 점이다.

이차전지의 기본 원리는 배터리 내부에서 리튬이온이 이동하고 전자는 바깥의 도선으로 빠져나가 전기를 생산하는 것이다. 즉, 리튬이온이 이동할 때 전자도 같이 이동해야 한다. 그때 이 전자를 주고받는 역할을 하는 것이 전이 금속이다. 전이 금속, 그중에서도 니켈은 전자를 주고받는 것이 용이하기에 리튬이 탈삽입되는 과정에서 니켈의 산화환원 반응도 같이 일어난다. 그렇기에 전하 균형을 맞추는 것이 가능해진다.

또 전이 금속은 산소와 강한 결합을 하여 튼튼한 뼈대를 만든다. TM(transition metal: 전이 금속)은 산소와 결합하여 팔면체 구조를 형성하고 팔면체 구조가 이어져 층상구조를 형성하게 된다. 이 층상구조 사이로 리튬이 탈삽입되는 것이 NCM 배터리의 원리이다.

그렇다면 이러한 구조가 NCM의 성능과 어떤 관련이 있을까? 그 답은 리튬이온의 이동 경로에 있다.

[자료 1. NCM 층상구조]

출처 : ⓒ30기 최한결 Gemini 생성

위 그림으로도 알 수 있듯이 전이 금속-산소층과 층 사이에 리튬이 존재하기 때문에 리튬이 탈삽입될 때 앞뒤 양옆, 즉 2차원 방향으로 이동할 수 있다. 그렇기에 높은 이온 이동도를 가진다. 또한 니켈에서 전자를 떼어내기 위해선 높은 전압이 필요하다. 즉, 층상 구조 기반 배터리는 작동 전압이 높다는 뜻이고, 높은 에너지 밀도를 가지게 된다.

하지만 이러한 NCM에는 치명적인 단점이 존재한다. 바로 안전성 문제이다. 양극에서 리튬이 많이 빠져나가게 되면 전이 금속에서도 전자가 많이 빠져나가는데 그렇게 되면 구조적 붕괴가 일어날 수 있다. 또 니켈의 강한 반응성이 고온의 상황과 맞물리면 산소와의 결합이 끊어질 가능성이 높아지고, 그렇게 생성된 산소 가스는 열폭주의 원인이 될 수 있다. 이러한 이유로 NCM 기반 배터리는 80% 정도의 충전만을 권하며 보다 낮은 충전 사이클 수명을 가진다.

LFP에 사용되는 소재와 구조적 특징, 그에 따른 성능

그렇다면 LFP는 어떨까? LFP의 화학식은 LiFeO₄이다. 인(P)과 산소(O) 사이에 강력한 공유결합이 사면체 구조를 형성하여 강력한 뼈대 역할을 한다. LFP를 더 자세히 이해하려면 올리빈 구조(Olivine structure)에 대해 알아야 한다.

[자료 2. LFP 올리빈 구조]

출처 : ⓒ30기 최한결 Gemini 생성

올리빈 구조는 PO₄ 사면체 구조와 FeO₆ 팔면체 구조 틀이 이어져서 리튬 이온이 이동할 수 있는 터널을 만드는 구조이다. '터널'이라는 말에서 알 수 있듯이, 리튬 이온은 앞뒤 방향, 즉 1차원 방향으로 이동할 수 있다. 리튬 이온이 2차원 방향으로 이동할 수 있는 NCM 소재와는 달리, LFP는 1차원 방향으로만 리튬 이온이 이동할 수 있어 이온 이동도가 떨어진다. 또한 철의 환원 전위가 높지 않아 낮은 작동 전압을 가지기 때문에 에너지 밀도가 낮다.

하지만 LFP는 P-O 사이의 강한 공유결합으로 인해 구조가 쉽게 변하지 않으며, 산소 기체 발생도 거의 일어나지 않아 열폭주 위험이 현저히 낮고 100% 완충을 해도 문제가 발생하지 않는다. 또한 여러 번 충방전을 거쳐도 구조가 잘 유지되기 때문에 긴 사이클 수명을 갖는다.

뒤처지는 대한민국의 배터리, 무엇이 문제인가.

기존 배터리 시장에서 NCM은 대한민국의 주력 기술이었고, LFP는 중국의 주력 기술이었다. 하지만 최근 몇 년간 LFP 배터리의 수요가 급증함에 따라 대한민국 배터리 산업의 입지는 위축된 반면, 중국의 배터리 산업은 급부상했다. 왜 이러한 현상이 발생한 것일까? 그 해답은 바로 ‘가격 경쟁력’과 ‘LFP 기술 발전’에 있다.

한국자원정보서비스(KOMIS)에 따르면 9월 10일 기준 니켈은 16,630달러/톤, 코발트는 29,000달러/톤인 반면, 철의 가격은 101.5달러/톤 수준이며 정제된 인의 경우 1,000달러/톤 정도로 LFP 소재의 가격이 훨씬 저렴하다.

[자료 3. 리튬, 니켈, 코발트 주요 생산, 정제국가 ]

출처 : 배터리 인사이드

또한 니켈과 코발트는 채굴 및 정제가 가능한 국가가 한정적이어서 수출 규제나 지정학적 이슈가 생길 경우 가격이 급등할 위험이 있다. 그에 비해 철과 인산은 원자재 가격 변동성이 적어 가격 경쟁력 측면에서 훨씬 유리하다.

LFP의 기술 발전 또한 무시할 수 없다. 기존 배터리는 셀을 모듈화한 뒤 배터리 팩을 구성했다. 여기서 모듈이란 셀을 일차적으로 보호하는 역할을 한다. 하지만 LFP의 높은 안전성과 공정 기술의 발전으로 모듈을 제거하고 팩 안에 바로 셀을 집어넣는 CTP(Cell-to-Pack) 기술이 적용되면서, 정해진 공간 안에 더 많은 셀을 탑재해 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있게 되었다. 이로 인해 LFP의 시장 경쟁력은 한층 더 높아졌다.

대한민국의 배터리 산업 반등을 위한 열쇠

NCM은 대한민국의 주력 제품이라 할 수 있었다. 하지만 연이은 배터리 화재 사고와 유럽 시장의 전기차 보조금 감축 및 규제 변동으로 안전한 중저가형 전기차가 급부상하면서, 중국의 주력 산업인 LFP가 엄청난 수혜를 입었다. 또한 중국은 원자재 생산부터 정제까지 자국 내에서 처리할 수 있고, 거대한 내수 시장을 바탕으로 한 규모의 경제 효과로 저가 공세를 펼치고 있어 우리나라가 가격으로 맞서기 힘든 상황이다.

그렇다면 우리나라가 반등할 수 있는 방법은 없을까? 답은 ESS(에너지 저장 시스템)에 있다. 현재 AI 기술의 발전과 재생에너지 확대 추세로 인해 ESS의 수요는 앞으로 더욱 증가할 것으로 보인다. 물론 ESS 수요의 증가가 곧바로 대한민국 배터리 산업의 이득으로 이어지는 것은 아니다. 중국이 ESS 시장마저 독점하게 된다면 주도권을 완전히 빼앗겨 더욱 뒤처질 수도 있다.

하지만 대규모 AI 데이터센터와 재생에너지 설비가 집중되어 있어 ESS 시장이 가장 크게 부상하고 있는 미국은 현재 강력한 탈중국화 기조를 보이고 있다. 이러한 기회 속에서 대한민국이 ESS 기술 경쟁력과 공급망 안정성을 빠르게 확보한다면 K-배터리의 재도약을 기대할 수 있을 것이다.

배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[배터리 바이블] 휴머노이드의 심장, K-배터리", 28기 남호정, https://renewableenergyfollowers.org/series/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=170405489&t=board

2. "에너지 전환의 병목, ESS가격: 돌파구는 소재 혁신", 28기 남호정, 29기 이진화, https://renewableenergyfollowers.org/ev-battery/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=171215022&t=board

참고문헌 

[NCM? LFP? 이차전지를 공부하며 듣게 될 두 소재]

1)겟차, "LFP vs NCM 배터리 완벽 비교: 2026년 배터리 유형별 장단점과 차량 선택 가이드", 2026.02.24, https://web.getcha.kr/blog/lfp-vs-ncm-battery-comparison-2026-guide

2)인더스트리인사이트, "NCM, LFP 배터리 쉽게 알아보자!", 2024.02.19, https://investment23.tistory.com/entry/NCM-LFP-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EC%9E%90

[NCM에 사용되는 소재와 구조적 특징, 그에 따른 성능] 

1) 김대원, 김희선, 박경수, "층상구조 NCM 및 올리빈 구조 LiFePO4의 결정학적 특성이 옥살산 수용액에서 선택적 리튬 침출 거동에 미치는 영향", Clean Technol., Vol. 32, No. 2, June 2026, pp. 146-160, 2026.06.

2) ND, 네이버블로그, "리튬 이차전지 배터리 소재(7):양극재-층상 구조 양극재 분석", 2023.06.01, https://blog.naver.com/mongshell32/223117643750

[LFP에 사용되는 소재와 구조적 특징, 그에 따른 성능] 

1) 배터리 인사이드, "LFP 배터리는 대세가 될 수 있을까?", 2025.10.28, https://inside.lgensol.com/2025/10/lfp-%eb%b0%b0%ed%84%b0%eb%a6%ac%eb%8a%94-%eb%8c%80%ec%84%b8%ea%b0%80-%eb%90%a0-%ec%88%98-%ec%9e%88%ec%9d%84%ea%b9%8c/

2) ND, 네이버블로그, "리튬 이차전지 배터리 소재(9): 양극재- 올리빈 구조(olivine structure)& LFP", 2023.06.10, https://blog.naver.com/mongshell32/223125396266

[뒤처지는 대한민국의 배터리, 무엇이 문제인가.]

1) 배터리 인사이드, "모듈화 과정을 없앤 혁신적인 ‘셀투팩(Cell to Pack) 공정’", 2024.06.14, https://inside.lgensol.com/2024/06/game-changer-battery-%eb%aa%a8%eb%93%88%ed%99%94-%ea%b3%bc%ec%a0%95%ec%9d%84-%ec%97%86%ec%95%a4-%ed%98%81%ec%8b%a0%ec%a0%81%ec%9d%b8-%ec%85%80%ed%88%ac%ed%8c%a9cell-to-pack-%ea%b3%b5/

2) 배터리 인사이드, "배터리 가격은 왜 다를까? 가격 경쟁력을 결정하는 소재·공급망·제조 기술", 2026.08.11, https://inside.lgensol.com/2026/08/%eb%b0%b0%ed%84%b0%eb%a6%ac-%ea%b0%80%ea%b2%a9%ec%9d%80-%ec%99%9c-%eb%8b%a4%eb%a5%bc%ea%b9%8c-%ea%b0%80%ea%b2%a9-%ea%b2%bd%ec%9f%81%eb%a0%a5%ec%9d%84-%ea%b2%b0%ec%a0%95%ed%95%98%eb%8a%94-%ec%86%8c/

[대한민국의 배터리 산업 반등을 위한 열쇠]

1) 황경인, "K-배터리, 위기인가 전환기인가: ESS를 중심으로 본 새로운 성장축의 모색", KIET, 2026.08.27, https://www.kiet.re.kr/communicate/medataList?medata_no=1019