[산업공부] 리튬이온배터리의 생산공정 #1

2차전지의 산업생태계를 알기 위해서는 어떠한 공정에 어떠한 소재가 사용되는지를 아는것이 중요하다고 생각한다.

백문이 불여일견, 먼저 아래의 동영상을 먼저 시청 바란다.
https://www.youtube.com/watch?v=Yq41X98CwIg

참조로 이 체널에는 2차전지 관련한 국내외 레포트를 바탕으로 한 분석은 물론 최근 산업동향까지 다양한 내용을 다루고 있으므로 2차전지에 대해 알고 싶은 분들은 구독하면 유용할 것이다.

2차전지의 제조공정은 크게 1. 전극제조 / 2. 전지제조(조립) / 3. 활성화공정 으로 분류된다.
참고로 아래 서술된 공정은 원통형을 기준으로 함을 참조바란다.

1. 전극제조(믹싱 -> 코팅 -> 압연&Slitting)

a. 믹싱
2차 전지의 4대 부품중 양극, 음극은 조립직전에 2차전지 제조사에서 제조된다.
각각의 전극에는 얇은 극판이 사용되는데 양극은 알루미늄박, 음극은 동박(구리박)이 사용된다. 이러한 극판 자체는 전자의 이동경로로 사용될 뿐 리튬이나 전자를 저장할 수 없기 때문에 각각의 극판에는 양극과 음극이 될 수 있게하는 양극/음극활물질이 함유된 슬러리를 얇게 도포한다. 양극슬러리는 리튬이온 저장역할의 양극활물질, 전기가 잘 통하게하고 다른 물질과 섞이게하는 용매, 접착제 역할의 바인더로 구성된다. 음극재도 물질은 다르지만 구성은 동일하다.

깊게 들어가면 NMC, NCA, LMO, 수전해용매 PVDF 등등 다양한 물질들이 여러가지 조합으로 사용되지만 본 포스팅은 제조 공정이 주제이므로 이러한 내용은 다음에 다루겠다.

양극슬러리를 제조하기 위해서는 정밀한 계량 및 교반이 필요하다. 단순히 섞는 작업이라고 생각하면 중요도가 낮은 작업이라고 생각할 수 있으나, 2차전지 관련 전문가들의 책에도 슬러리 제작의 중요성을 언급하고 있고 실제로 슬러리 제조장비의 단가가 코팅기와 더불어 전체 제조장비 단가 중 상위 1, 2위이다. 이유는 계량이 제대로 되지 않을경우 양극활성제의 양이 부족해져 최종제작품의 품질기준을 만족하지 못할 수 있고, 소재를 계량하여 분배하거나 섞는 작업중에 이물질이 유입 될 경우 해당 이물질로 인해 2차전지 내부의 화학작용으로인해 화재가 발생할 수 있기 때문이다.

예를들어 교반작업 중 작업자가 교반기에 포대 쪼가리나, 볼펜 등을 떨어뜨렸으나 관리자에게 보고하지 않았다. 그 물질자체는 문제가 되지 않았으나 그것들이 교반기의 축에 영향을 주어 블레이드가 교반기 통과 접촉하면서 스테인리스 가루가 섞이게 되었고 이것이 전지내에서 화학반응을 일으키면서 초기에는 전압의 급격한 상승, 저하가 확인되다가 나중에는 폭발사건까지 발생했다고 한다. 최근에는 이러한 사고를 방지하기 위해 양극활물질 단계에서의 탈철작업을 추가하고있다.

 

 

 

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b. 코팅
코팅의 목적은 바인더를 전극에 골고루 배치시켜 균일한 성능과 원하는 수명을 확보하는 것이다. 먼저 잘 섞인 슬러리를 몇백m가 넘는 코팅기를 사용해 박판의 한쪽면에 도포를 한다. 이후 이동하면서 도포한 면에 열을 가해 슬러리를 말리고 반대면도 동일하게 도포와 건조를 실시한다. 전극 제조시 우리가 사용하는 짧은 크기로 소재를 제작하는것이 아니라 굉장히 길게 제조를 하기 때문에 중간에 장비의 문제가 발생하면 전체 전극을 폐기할 수 있다. 생각해보면 위에 언급한 알루미늄박과 동박은 우리가 주방에서 볼 수 있는 알루미늄 호일과 같이 매우얇은 막인 것인데 그것을 평평한 상태를 유지하면서 이동하기란 쉬운일이 아니다.

c. 압연&Slitting
압연의 목적은 세가지이다. 첫째, 두께를 줄여 전극밀도를 올리는 것 / 둘째, 양극의 알루미늄박과의 접착력 향상 / 셋째, 출력향상이다. 전극밀도를 올리는 원리는 직관적이다. 알루미늄박의 표면에는 산화알루미늄 층 떄문에 접착력이 약한데 이 때 압연에 가해지는 힘으로 산화알루미늄 층을 부수어 전극과의 기계적 접착력을 향상시키는 것이다. 출력향상의 경우에는 전극에 압연을 하면 활물질 결정구조에 방향성이 형성됨으로써 리튬이온의 출입을 원활하게 할 수 있게 해준다.

슬리팅은 코팅기로 생산된 긴 양극, 음극을 제조하려고 하는 Form Factor에 따라 잘라내는 공정이다. 슬리팅 공정으로 만들어진 전극을 흔히 점보롤이라고 부른다.

마지막으로 정리하자면 2차전지 3대 제조공정 중 전극제조에 사용되는(셀메이커기준) 소재와 장비는 아래와 같다.
주식투자의 목적이라면 각 소재, 장비 메이커를 찾아보면 도움이 될 것이라고 생각한다.

소재	양극활물질	음극활물질	알루미늄박	동박	용매	바인더
장비	믹싱장비	코팅장비	Roller(압연기)	Slitter(절삭기)	탈철기

다음번에는 전지제조(조립)에 대해서 정리해 보도록 하겠다.