1. 리튬이온 배터리 제조가 어려운 이유
우리는 앞의 여러 포스트를 통해 리튬이온배터리의 작동원리와 세부 구성요소를 알아보았습니다. 특히, 주요 4대 소재, 그중에서도 양극재와 음극재에 대해서 심도 있게 파악한 점은 여러분이 리튬이온 배터리의 핵심에 더욱 가깝게 나아가는데 많은 도움이 될 것입니다. 우리는 이번 포스팅을 통해 리튬이온배터리가 어떻게 만들어지고 또 제조 과정에서는 무엇이 중요한지 살펴보도록 하겠습니다. 어떻게 보면, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 리튬이온배터리의 원리는 매우 간단하다 할 수 있기 때문에, 제조 과정도 단순하다고 생각할 수 있겠습니다. 그러나, 우리가 요리를 할 때 유명 셰프의 레시피를 알고 있다 하더라도, 그 유명 셰프만큼 요리를 맛있게 만들어내는 것은 다른 일이란 걸 분명히 알고 있습니다. 리튬이온 배터리의 제조가 바로 이와 같습니다. 제조 레시피를 알고 있다 하더라도, 그 결과물이 좋은 품질이거나 또 늘 동일하게 구현되지 않는다는데 리튬이온 배터리 제조의 높은 난도가 존재한다 할 수 있습니다. 현재 전기차용 리튬이온 배터리를 세계적인 선도 업체들은 동북아 3국에 집중되어 있는데, 이 국가들의 공통점은 역사적으로 도자기를 잘 만들었다는 점입니다. 도자기는 진흙이라는 재료를 잘 빚어서, 원하는 모양의 형태로 만들고 이후 높은 온도의 불에서 구운 뒤 색깔과 빛깔을 입혀 제조를 완성하게 됩니다. 공교롭게도 리튬이온 배터리의 제조공정이 이와 매우 유사합니다.
2. 세부 제조공정 순서와 가장 난이도가 높은 전극 제조공정
리튬이온 배터리의 제조공정은 크게 전극 공정, 조립 공정, 화학 공정의 세 가지 핵심 단계로 구성되어 있습니다. 첫 번째 전극공정에서는 앞에서 살펴본 바와 같이 배터리 에너지의 원천과 그 저장 공간이 되는 양극재와 음극재의 원료를 만드는 과정으로 이해할 수 있습니다. 전극 공정은 또 믹싱-코팅-프레싱-슬리팅의 과정을 거치게 되는데 믹싱은 주원료인 양극 또는 음극활물질과 리튬이온의 이동을 원활하게 돕는 도전재 그리고 이 혼합된 물질이 집전체와 잘 붙을 수 있도록 하는 바인더 및 이들을 녹이는 용매와 섞어 일종의 슬러리를 제조하는 과정입니다. 이 과정에서는 최적의 재료 배합과 조제 기술이 중요합니다. 코팅은 잘 섞인 슬러리를 양극 또는 음극 집전체인 알루미늄박과 동박에 도포하는 과정으로, 이 때는 균일하게 도포하는 것이 핵심 제조역량입니다. 이렇게 만들어진 두 코팅박은 용매를 증발시키고 균일한 활성 물질 층을 남기는 건조 과정을 거치게됩니다. 이후 프레싱 과정을 통해 강력하되, 일정한 압력을 가하여 층을 원하는 두께 및 밀도로 압축하여 최적의 전기화학 성능을 구현하는 압연의 과정을 거치게 됩니다. 슬리팅을 통해 정밀한 치수로 절단되어 조립할 수 있는 전극 시트가 만들어지며, 이 과정에서는 배터리 화재의 원인이 되는 불순물들이 유입되지 않도록 하는 공정기술이 중요합니다.
3. 조립공정의 종류와 그 기준이 되는 폼팩터
이와 같은 전극 공정이 끝나면, 두 전극(
양극, 음극)을 중심으로 분리막 등의 조립공정이 진행되는데, 이는 각 부품 간의 융합을 조정하여 전지의 기능을 정의하는 전기화학 발판을 마련한다 이해할 수 있습니다. 여기서 배터리 폼팩터의 종류에 따라 제조공정이 조금씩 다른데, 파우치 배터리를 만드는 공정에는 소위 스테킹&폴딩(Stacking&Folding)이라고 층을 쌓는 형태의 제조공정이 많이 이루어집니다. 이는 양극, 음극, 분리막, 등의 단락을 방지하면서 에너지의 흐름을 극대화 할 수 있는 설계대로 매우 정밀하게 쌓게 됩니다. 이 중 분리막은 장벽 역할을 하여 전자의 흐름을 방해하면서 리튬 이온을 통과시킬 수 있습니다. 또한, 테슬라의 4680 배터리를 중심으로 수요가 나타내고 있는 원통형 배터리의 경우 롤링 앤 와인딩(Rolling and Winding)의 공정을 통해 일종의 젤리 롤 같은 형태의 구조로 극판을 제조하기도 합니다. 원통형 디자인은 배터리 케이스 내의 공간 활용성을 최적화하는 장점이 있습니다. 이렇게 극판이 폼팩터에 맞게 조립이 되면, 이온의 전도체인 전해액을 주입하게 됩니다. 전해액은 충방전 사이클 동안 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 흐름을 가능하게 하는 전도성 용액입니다. 이를 통해 배터리를 활성화시켜 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 용량을 제공하게 됩니다. 이렇게 조립 공정이 마무리되며 이다음으로는 화성공정이 이루어집니다. 이에 대한 내용은 다음 포스팅에서 또 설명하도록 하겠습니다.