1. 양극활물질의 종류 및 특징과 핵심 공정
양극활물질은 LCO부터 시작해서 NCM, NCA로 발전해 왔고, 최근에는 용량은 열위지만 가격 경쟁력과 안전성이 높은 LFP가 각광을 받고 있습니다. NCM과 NCA는 고용량의 장점이 있으나 안정성에서는 열위를 갖고 있습니다. 제품을 보시면 LCO 같은 경우에는 좀 단순 구조로 되어 있는데, 결정 입자가 1개 정도로 돼 있는 반면, NCM이나 NCA는 작은 입자들이 뭉쳐서 돼 있는 형태로 LCO 대비 추가의 공정이 들어가서 만들어지게 됩니다. NCM 공정이 복잡하기 때문에 기술적으로 LCO대비 만들기 어려운 부분이 있습니다. NCM과 NCA 공정에서 가장 중요한 것이 소성이라는 공정인데, 예를 들어 니켈, 코발트, 망간을 섞은 전구체에 리튬을 섞어 외부에 특별한 기능을 하는 도핑을 섞어서 혼합을 하고 그다음에 높은 열을 가해서 익히는 것, 즉 화학적으로 뭉쳐서 일정한 알갱이로 만드는 작업이라고 할 수 있습니다. 이후 분쇄를 시켜서 일정한 크기로 만들고 세정을 통해서 알갱이에 묻어 있는 이물질, 잔류, 리튬 같은 것을 없애고 난 후에 코팅 작업을 통해 입자의 형태를 강화하게 됩니다. 이후 포장을 통해 공정이 종료됩니다. 소성은 양극활물질 업체들의 핵심 공정으로, 소성 공정에서의 열 관리, 가스 관리 등을 통해서 배터리 제조사가 원하는 특성을 나타낼 수 있는 활물질을 만드는 가장 중요합니다.
2. 양극활물질의 핵심인 전구체와 배터리 안전성의 확보
앞서 제조공정에서 언급한 바와 같이, 양극활물질을 만들 때는 양극재 제조사에서 처음부터 끝까지 다 만드는 것이 아니고 프리커서라 하는 전구체를 먼저 만들게 됩니다. 전구체는 다른 업체로 부터 구매한 경우가 대부분인데, 니켈과 코발트를 가지고 만든 전구체에서 알루미늄을 투입해서 다시 전구체를 만드는 여기에서 수산화리튬을 넣어서 최종 NCA를 만들게 되는 과정, 아예 니켈, 코발트, 알루미늄을 같이 넣은 전구체를 받아서 nca를 만드는 과정, 니켈 코발트 전구체에서 알루미늄과 리튬을 혼합해서 NCA를 만드는 세 가지 방법이 있습니다. 또한, 활물질에서 안정성 배터리 안정성, 품질 부분에 대해서 활물질의 중요성에 대해서 이야기해 볼 수 있겠습니다. 최근 전기자동차용 배터리 수요가 증가하면서 성능은 물론, 안전성이 대두되고 있습니다. 참고로 소형 전지 같은 경우에는 90년대에서 소니가 개발한 원통형 전지에서 성능은 거의 완성이 된 상태였고, 수명도 1년, 2년 내에서 문제없으면 된다라는 상황이었으나, 전기차 배터리에서는 10년 정도의 보증이 필요하기 때문에 성능의 평준화를 이루었지만 안정성 확보가 되었는지가 매주 중요합니다. 활물질은 파우더나 분채로 이루어졌기 때문에 입자가 100 마이크로보다 작은 입자들이 무수히 많게 돼 있고, 입자 하나만 봐도 5 마이크로 정도 수준의 미세 입자를 관리해야 되기 때문에 균일한 입자 분포에 따른 품질을 나타낼 수 있어야 합니다.
3. 양극활물질 제조 공정에서의 배터리 화재 원인 예방 탈철
전기차 화재가 발생했을 때, 가장 많은 원인이 탈철과 같은 이물질인데, 이 부분은 활물질 제조 업체의 제조 공정에서 잡아줘야 하기 때문에, 매우 민감합니다. 앞의 배터리 구성에서 설명한 바와 같이, 양극과 음극 사이에는 분리막이 있는데, 양극 쪽에서 용출된 리튬 성분들이 분리막을 뚫고 나가서 내부적으로 쇼트가 됨에 따라, 화재가 발생하게 됩니다. 최근에 활물질 속에 있는 금속성 이물질들을 전자식 필터 등을 만들어 특별하게 관리하고 있는데, 이 기술이 또 매우 중요합니다. 탈철 공정은 건식과 습식으로 나뉘며, 건식은 활물질의 파우더에서, 습식은 슬러리에서 금속을 제거하게 됩니다. 건식 탈철기는 일본과 한국 업체만 존재하고, 특히 습식 탈철기는 한국 업체만 독보적으로 기술을 보유하고 있습니다. 한편, 우리는 NCM622,811,9 1/2 1/2식으로 니켈의 함유량을 높이고자 하는데, 배터리에서 양극활 물질이 가장 많은 원가를 차지하고 있고, 그중 니켈을 양을 늘리면 상대적으로 원가가 떨어지는 효과를 얻을 수 있습니다. 반면, 니켈을 많이 사용하면 활물질의 안전성의 문제가 발생함에 따라, 최근에는 가격과 안전성 측면에서 장점을 가지고 있는 LFP배터리가 대세가 되고 있습니다. 전기차의 대중화에 가장 큰 걸림돌이 소비자들이 구매 가능한 가격 수준으로 떨어지고, 화재의 위험을 제거해야 하는데, 이 두 부분에서 LFP배터리가 주목받고 있습니다. 다음 포스팅에서는 LFP배터리에 대해 심도 있게 알아보도록 하겠습니다.