2차전지는 어떻게 만들어 질까?

양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 충방전이 이루어지는 2차 전지  Cell이 만들어 진다고 한다. 

그럼 양극재, 음극재는 어떻게 만들어질까? 

 

짧은 지식으로 알고있는 선에서 양극재와 음극재에 대해 간략하게 설명해 보고자 한다. 

 

-> 배터리 제작 공장 순서 (양극재 기준)

1. PCAM Factory (Precursor Cathod Active Material)

2. CAM Factory  (Cathod Active Material)

3. Giga Factory (Cell manufacturing)  

 

-> 양극재

양극재는 LMO, LCO,  NCM(622), NCM(811), NCM(9.0.5, 0.5),  NCMA,  LFP 등 여러가지 종류로 나뉜다. 

 

전구체(precursor)를 금속물질을 (리튬, 니켈, 코발트, 망간 등) 적절  비율로  섞고 거르고 코팅하고 최종 원재료를 

열처리 과정을 통해 양극재를 만들게 된다. 

 

열처리  과정에서도 각 온도 프로파일이  제품에 따라 다 다르며 소재 생산 기업마다 각자  고유의  공정 process가 있고, 

그들만의 열처리 과정을 가진다. (국내 Major 소재 업체: 에코프로비엠, 포스코케미칼, LG화학, 유미코아, L&F 등) 

 

전구체의 경우 생산 단가가 저렴하기 때문에 대부분의  소재업체에서는 중국에서  원료를 수입해서 소성(열처리)과정을  거쳐 양극재를 생산하는 것으로 알고있다. (물론 자체적으로 전구체 생산하는 기업도 있을 것이다.) 

 

전구체를 믹싱후 계량하여 양극재 원료를 투입하고 충진기를 통해 Saggar에 충진후 평탄화 과정을 거쳐 소성로에 따른 다단 적재 이후 열처리 과정을 거치고 나면 제품이 딱딱해져서 굳어져 나오게 되며 딱딱한  정도에 따라 Crusher를 통해 깨부고 반전 후 다시 작은 입자로 roll crusher 등을 통해 다시 부수고 또다시 코팅 열처리를 해서 Ton bag에 담아 양극재를 Cell manufacturer(LG 에너지 솔루션, 삼성SDI, 노스볼트 등)으로 납품을하여 2차전지 Cell을 제작한다. 

 

-> 음극재

음극재 제조공정은 양극재와 같이 열처리를 해야하는 부분은 동일하나 Carbon(탄소)코팅을 하는 방식이 조금 다르다. 

기존에는 천연흑연을 사용한 음극재를 주로 사옹했었으나, 충방전 효율 및 2차 전지 성능 향상을 위한 기술개발이 꾸준히

이루어 지고 있다. 

 

예를 들면, 일반  천연 흑연대비  인조흑연  or 실리콘+탄소코팅 이 리튬이온을 더  많이 받아들일 수 있는 장점이 있다. 

 

음극재는 얼마나 충전을 빠르게 하고 배터리 효율을  올리는지 영향을 많이  주는 재료이다. 

배터리의 충방전은 곧 리튬이온의 이동으로 이해하면 쉽다. 

 

전기를 꽂아  충전을 하게되면 리튬이온이 음극재쪽으로  이동하여 축적되게 된다. 

완충된 배터리는 음극재에서 양극재쪽으로 리튬이 이동하면서 방전이 되는 방식이다. 

음극재에 얼마나 빨리, 얼마나 많이 리튬이온을 머금는 것이 관건인 셈이다. 

 

앞으로의 대세는 실리콘계열의 음극재(급속충전 가능)가 대세가 되지 않을까? 

 

음극재도 결국 전구체(기공이 많은)를 만들어 pitch, cokes 및 기타 탄소와 관련된 가스를 통해 열처리 코팅하는 방식이다. 

기공안까지 코팅을 해주면 성능이 더욱 뛰어 날 것이다. 

 

나머지 액체 전해질 및 분리막에 대해서는 더 공부가 필요한 상황이다. 

 

 

※ 개인사견

개인적인 생각으로는, 전기차도 급이 나뉘지 않을까 싶다. 

전기차용 배터리는 결국 NCM, LFP, 전고체 방식으로 나뉠 것 같다. 

 

저렴한 일반용 차량 (단거리 및 적정거리)는 LFP배터리를 이용한 중저가 차량 

NCM high nickel방식을 적용한(장거리 운행가능)한 고가형 차량 

그리고 전고체가 사용화 된다면 아무래도 초 고가형 차량이 되지 않을까? 

 

전기차 대중화를 위해서는 결국 LFP 배터리가 답일 것 같고, LFP가 중국이 유명했지만 특허도 최근 만료되었고, 

국내 Cell 업체에서도 LFP 배터리에 대한 관심이 높아지고 있으니 (테슬라때문?) 빠른 발전이 있지 않을까 싶다. 

 

IRA(미국), CRMA(EU)로 인해 급속하게 배터리 산업이 국내에서 해외로 이전 될 것 같은데... 

우리나라 배터리 근간 산업을 지킬 수 있을지 우려가 된다.