1. 니켈(Ni)
니켈은 독일의 에르츠게비르게(Erzgebirge) 산맥의 광부들은 구리와 비슷한 붉은색 광석을 발견했는데, 이것이 오늘날의 니콜라이트(Niccolite, 홍비니켈석)이라 불리는 비소화니켈(NiAs)이 주성분인 광석이었다. 하지만 광부들은 이 광석에 구리가 포함되어 있다고 생각해 추출을 시도했는데 구리가 추출되지는 않고 유독한 증기 산화비소 (AsO3)만 발생하여 이 광석을 악마의 구리라는 뜻으로 '쿠페르니켈(Kupfernickel)'이라 부르게 되었다. 1751년 스웨덴의 야금학자 악셀 프레드릭 크론스테트(Axel Fredrik Cronstedt, 1722~1765) 역시 구리를 추출하기 위한 시도를 했다. 이때 쿠페르니켈의 표면을 덮은 결정에서 얻은 산화물로 환원 실험을 하던 중 구리가 아닌 흰 금속이 나오는 것을 보고 새로운 원소를 발견했으며, 그는 이 금속을 니켈(Nickel)이라 명명하였다.
니켈은 원자번호 28번 원소로 원소기호는 'Ni'로 표기한다. 원자량은 58.693 g/ml, 녹는점 1,455 ℃, 끓는점 2.732 ℃, 밀도는 8.9 g/cm2이다. 은백색의 강환 광택을 지닌 단단한 금속인 니켈은 공기 중에서 산화반응을 일으키지 않아 도금이나 합금 재료로 쓰인다.
이러한 특성으로 인해 스테인리스강 제조에 주로 사용돼 오던 니켈은 배터리 양극재 소재로 중요한 역할을 하고 있다. 양극제는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄등의 조합으로 만들어지며 그 구성에 따라 배터리의 용량과 출력 등 성능이 달라진다.
니켈은 함량이 높을수록 에너지밀도가 높아져 1회 충전 시 사용량이 늘어나는 것이다(전기차의 경우 주행거리).
배터리 업계에서는 양극재에서 고가의 코발트 함량을 줄이는 대신 용량과 출력을 높여주는 니켈의 비중을 증가시키는 작업을 진행하고 있으며 니켈의 비중이 높은 양극재를 사용한 배터리는 하이니켈 배터리라고 하여 업계에서는 이 재료가 전기차 배터리에서 각광받을 것으로 예측하고 있다.
2. 코발트(Co)
코발트는 독일의 광부들이 코발트가 함유된 광석을 '코볼트(Kobold)'라고 지칭한 것에서 이름이 유래된 코발트(Cobalt)는 1735년에 스웨덴의 과학자 게오르그 브란트(Georg Brant, 1694~1768)가 처음으로 분리하면서 발견되었다.
코발트는 원자번호 27번 원소로, 원소 기호는 'Co'로 표기한다. 주기율표에서 제 9족에 속하는 철족원소로 단단하고 강자성(Ferromagnetic, 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적성질)을 지닌다. 은백색의 금속원소인 코발트는 공기 중에서 안정되고 물에도 반응하지 않지만 묽은 산과 만나면 천천히 녹는 성질이 있다. 천연으로 비소나 황과 결합하여 산출되며 주요 광물은 스말타이트이며, 구리 광석이나 납 광석에도 함유되어 있다.
20세기 초반까지 코발트는 안료 외에는 다른 용도로는 거의 쓰이지 않았다. 1903년 미국의 사업가 엘우드 헤인즈(Elwood Haynes)가 이를 이용해 고온에서도 강도와 형태를 유지하는 초합금 '스텔라이트'를 만들면서 주목받았으며, 현재 코발트는 리튬이온배터리를 만드는 양극소재로 사용되며 또 한번 주목받고 있다. 주로 구리와 니켈 광산의 부산물로 생산되는 만큼 희소성이 높아 '하얀 석유'로 불리며, 수급이 원활하지 않아 배터리 제조 원가의 20%를 차지한다.
3. 망간(Mn)
우리가 흔히 망간으로 부르던 이 원소는 현재 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제순수융용화학연합)에서 정한 명명법에 따라 영어식 표기인 '망가니즈(Manganese)'를 학계 표준으로 쓰고 있다
망가니즈는 원자번호 25번 원소로, 원소기호는 'Mn'으로 표기한다. 주기율표에서 제7족에 속하는 단단하지만 부서지기 쉬운 은백색 금속으로 원자량 54.938g/ml, 녹는점 1,247 ℃, 밀도는 7.2 g/cm2이다. 비교적 반응성이 큰 것이 특징인 망가니즈는, 공기 중에 덩어리 형태로 존재할 때는 느리게 산화하지만 가루 형태로 존재할 때는 불이 붙게 된다. 물과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 특징도 있다.
지각에 세 번째로 많이 포함된 망가니즈는 연망가니즈석(이산화 망가니즈, MnO2)의 형태로 널리 분포돼 있다. 1774년 스웨덴의 화학자 칼 빌헬름 셀레(Carl Wilhelm Scheele, 1742~1786)는 연망가니즈석에 새로운 원소가 있음을 알게 되어, 그의 동료 요한 고틀리브 간(Johan Gottlieb Gahn, 1745~1818)이 불순물이 섞인 형태로 망가니즈를 분리하는 데 성공했다.
고순도(99.9%) 망가니즈는 이보다 약 160년 뒤인 1930년 대엔 Mn2+ 용액을 전기분해 시켜 얻게 됐다.
1800년대의 망가니즈는 철의 강도를 높이는 합금원소로 부각되었고 이후 1866년에는 MnO2를 양극재로 사용하는 르클랑셰 전지(Leclanche cell)가 발명되었으며, 1912년에는 철의 부식과 방지와 내마모성을 증가시키는 인산 망가니즈 코팅처리법이 개발돼 지금까지도 자동차 부품 등의 제조에 사용되고 있다. 전기차 시대를 맞아 망가니즈는 양극재에 들어가서 NCM(니켈,코발트,망가니즈)로 많이 사용되고 있으며 최근에 에너지 밀도를 높이는 니켈 비중을 극대화 하고 알루미늄을 추가해 안정성을 강화한 NCMA(니켈,코발트 망가니즈 알루미늄)가 개발되는 등 지속적인 발전을 이루고 있다.
