리튬이온전지 제조과정

요즘 누구나 한 개 이상은 항상 소지하고 다니는 리튬이온전지는 우리 삶에 깊숙히 관여하고 있다. 전지 기술이 발전함에 따라 휴대용 전화기와 노트북을 넘어서 청소기, 전동공구에까지 우리의 삶에 가까이 있다. 그리고 최근 전지 제조 기술이 발달함에 따라 자동차, 트럭, 그리고 전력 공급 시장에도 전지를 적용하기 위해 활발한 연구 및 개발이 진행중이다. 

리튬이온전지는 재충전이 가능한 에너지 저장장치로 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하며 에너지를 저장하고 사용하는 작동원리를 가지고 있다. 그래서 충전시에 리튬이 저장되는 음극, 방전시에 리튬이 저장되는 양극, 그 사이의 분리막과 전해액으로 구성이된다. 

a) 원통형 전지 구조, b) 각형 전지 구조, c) 파우치형 전지 구조 (참조. Nature Reviews Materials 1, 16013 (2016))

양극, 음극과 분리막이 박막 형태로 제작이 되기 때문에 위 그림의 a와 같이 우리가 손쉽게 볼 수 있는 AA, AAA 전지와 같이 원통형으로 주로 전지가 만들어져 왔다. 원통형 전지의 사이즈에 따라 다양한 규격의 전지들이 존재한다. 이런 원통형 전지는 주로 작은 전자기기에 많이 사용이 되고, 그 외에는 Tesla Model S 와 Model 3 에 들어가는 배터리 또한 원통형으로 알려져 있다. Model S 는 18650 타입 전지가 사용되었고, Model 3 에는 2170 타입 전지가 사용하였다. 충분한 에너지를 공급하기 위해 전기차에는 배터리가 7000개에서 8000개 정도가 들어간다. 이런 경우 원통형 전지는 공간 효율이 좋지 않아서, 휴대폰 전지처럼 납작한 형태로 전극들이 감긴 각형전지 (그림 b)로 발전을 했다. 그리고 역시 납작한 형태로도 전극이 감긴 형태는 전극을 쌓아 올린 것보다 공간 효율이 좋지 않다. 전지 내에 빈 공간이 많을 수록 부피당 에너지가 줄어들기 때문에 적은 공간에 많은 전극을 담아야 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 그래서 최근 트렌드는 위의 그림 c와 같이 전극을 쌓아 파우치 형태로 만들고 빈 공간이 없도록 제조하는 것이다. 하지만 지금까지의 전지 제조기술 및 생산라인이 원통형 처럼 감는 형태의 제조형태를 가지고 있어서 제조라인을 전부 바꿔야하는 어려움이 있었지만, 현재 전지제조 회사들이 파우치 형태의 제조기술을 개발 및 설치해서 파우치 형태의 전지를 제작하고 있다.  

리튬이온전지 제조과정 (참조. Energies 9, 104 (2016))

양극과 음극 소재는 분말 형태로 합성을 한다. 양극은 리튬 전이금속 산화물이 주를 이루는데, 요즘 인기있는 소재로는 리튬인산철 산화물이 있고, 가장 발전된 형태의 양극은 고니켈, 저코발트 비율의 리튬니켈망간코발트 산화물이 있다. 음극의 경우는 흑연 분말을 사용하는데, 합성해서 사용하기도 하고 자연 흑연을 적정한 크기의 분말로 만들어 사용하기도 한다. 이렇게 분말 형태의 양극과 음극을 슬러리 형태로 만들어 집전체에 코팅을 해서 전극을 제조한다. 위의 공정과정 그림에 나온 것처럼 먼저 양극 및 음극 활물질에 바인더와 도전재를 함께 섞어 코팅을 할 수 있는 슬러리 형태로 만든다. 그리고 슬러리를 집전체에 얅은 박막 형태로 코팅을 하는데, 집전체는 양극의 경우 알루미늄을 사용하고, 음극의 경우 구리를 사용한다. 집전체의 두께는 9-15 μm 정도로 코팅이 완료되면, 총 두께는 전극 밀도에 따라 50-100 μm 정도의 얇은 박막 형태가 된다. 코팅이 된 전극은 완전 건조 후, 압착을 하게 되는데 이 과정을 캘린더링이라고 부른다. 보통 압연 과정을 통해 압착을 시키고 이 과정이 완료되면 전극 제조가 완료되고, 완성된 전극을 보통 롤 형태로 감아서 보관을 하게된다. 이렇게 만들어진 전극을 원하는 크기로 잘라서 최종적으로 조립을 하게 된다.

조립을 할 때, 양극과 음극 사이에 분리막과 전해액이 들어가게 되는데, 분리막은 15-25 μm 정도 두께의 폴리머이다. 보통 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 복합재로 구성이 된다. 분리막은 양극과 음극사이의 직접적인 접촉을 막아 전지의 안정성을 높히는 것과 동시에, 리튬이온은 통과시키고 전자의 이동은 막는 부도체 이면서 이온 전도체 역할을 한다. 전해액은 액체 전해액으로 유기 전해액을 사용한다. 이것이 리튬이온 전지의 최대 단점인 불이 붙고, 또 불이 나는 성분이다. 이는 전지의 구동을 위해 필수적인 부분이지만, 현재 기술력으로는 불이 나지 않는 전해액을 개발하지는 못했고, 다른 다양한 장치를 통해 불을 억제하는 수준이다. 미래형 전지 중에 하나인 전고체 전지가 바로 이 액체 전해액을 고체 전해질로 바꾸어 전지의 모든 성분을 고체로 바꾼 전지이다. 이렇게 되면 불이 붙지 않는 안전한 전지가 됨은 물론이고, 부피당 에너지도 늘릴 수 있어서 차세대 전지의 하나로 활발한 연구가 진행중이다.  

전지 제조과정은 전지의 성능을 결정하는 최종단계로 그 중요성이 지대하다. 쉽게 이야기해서 앞서 설명한 양극, 음극, 전해액, 분리막은 지난 20여년간 소재 측면에서 큰 발전이 없었다. 기본적으로 비슷한 소재를 수십년간 사용해온 것이다. 하지만 그동안 전지의 전반적인 성능은 10배 이상 성장을 했다. 바로 제조과정의 개발 및 최적화에서 그 성능 향상이 온 것이다. 하지만 현재 제조과정의 발전 및 최적화도 거의 한계에 다다랐고, 더이상 발전할 수 있는 부분이 별로 남아 있지 않다. 그래서 미래에 배터리가 발전하기 위해서는 양극, 음극, 전해액 같은 근본적인 요소들이 발전을 이루어야 하고, 이렇게 개발된 미래형 전지가 산업에 적용되고 상업화가 되기 위해서는 그에 걸맞는 제조과정 또한 함께 개발이 되어야 한다.

최근 리튬이온전지가 상용화 되고, 그 제조 공정이 산업화 및 표준화 됨에 따라, 리튬이온전지를 만드는 것이 더이상 어려운 일이 아니게 되었다. 크고 작은 리튬이온전지 제작사들을 어렵지 않게 주위에서 찾을 수 있고, 대량의 전지를 제작하는 기가팩토리 (Gigafactory) 가 중국, 유럽, 그리고 미국에 건설되고 있다. 리튬이온전지 공정 기기 및 기계들을 쉽게 그다지 비싸지 않은 가격에 구할 수 있지만, 이를 이용해서 리튬이온전지를 잘 만드는 것은 또 다른 이야기이다. 숙련된 전지 기술자를 찾는 것은, 단연 공정 기기를 구매하는 것보다 어렵다. 전지 사업을 생각 중이라면, 검증된 전지 인력을 Joynus와 함께 찾아보는 것을 추천한다.