기술과 솔루션
전기자동차용 리튬이온 전지의 에너지형과 파워형 셀 설계와 제조공정
작성자 : 편집부
2022-02-11 |
조회 : 2083
1장. 서론
2021년 초에 현대기아자동차와 테슬라는 표 1과 같이 신형 전기 자동차 출시 및 판매로 본격적인 전기 자동차 시대를 열었다. 아이오닉5(2021.1 출시)에는 차세대 전기 자동차 전용 플랫폼인 ‘E-GMP(Electric-Global Modular Platform)’가 최초로 적용되었다.
아이오닉5에는 SK이노베이션과 함께 개발한 73㎾h 용량의 ‘NCM811’ 전지가 장착되어 한 번 충전으로 450㎞ 이상 주행이 가능하다. 세계에서 가장 짧은 시간인 20분 내로 80% 충전할 수 있다고 알려져 있다.
테슬라코리아에 따르면, 테슬라의 중형 스포츠실용차(SUV) 모델 Y(2020.1 출시)는 환경부에서 인증받은 1회 충전 주행가능거리가 511㎞로(롱 레인지 기준) 국내에서 구매할 수 있는 전기 자동차 중 가장 길다. 퍼포먼스 트림의 주행거리는 448㎞이며, 15분 충전으로 249㎞ 주행할 수 있다.
전기 자동차의 본격적인 시장형성에 따라 리튬이온 전지 시장도 본격적으로 상승세를 맞이할 것이다. 본 글에서는 리튬이온 전지의 지속 성장에 필요한 전지 셀, 모듈, 팩 제조공정과 전지 성능향상에 대하여 무엇을 알고 있는지와 무엇을 더 알아야 하는지를 살펴보고자 한다.
리튬이온 전지 업체는 전지 수명향상, 안전성 확보, 충전 시간 단축, 고출력, 극한 환경에서의 운영 등을 해결하고자 끊임없이 노력하고 있다. 전지 셀은 전기 화학반응에 의해 열이 발생한다. 발열 요인에는 분극 현상에 의한 반응열, 저항에 의한 Joule 열, 그리고 엔트로피 열 등이 있다.
이로 인하여 전지 셀의 충·방전 특성은 셀 온도에 민감하고 사용온도가 60℃ 이상의 고온이거나 영하 이하의 낮은 온도에서는 충·방전 효율이 급격히 낮아지고, 열 폭주의 원인이 되기도 한다. 리튬이온 전지는 소형, 중형, 대형 전지(용량: 11Ah~240Ah) 등 다양한 제품에서 내부저항을 최소화하여 고용량 방전 시 발열량 감소, 에너지 손실을 최소화하고 안정적인 고출력 성능을 추구하고 있다.
리튬이온 전지의 효율적 작동을 위해서는 매우 춥거나 더운 극한 환경에서도 가급적 전지(팩) 온도를 상온으로 맞추어 주어야 한다. 따라서 셀의 최적 성능을 유지하기 위해서는 셀의 열 방출 혹은 열 유입 능력이 높아야 한다.
셀과 외부와의 효율적인 열교환을 이루기 위하여 셀 내의 넓은 집전체 면적과 활성 전극층의 얇은 단면 형태에 의하여 어느 정도 효율적인 열 출입을 달성할 수 있다. 즉 활성층 소재 특성 외에도 집전체 박막의 넓이 디자인(100~300㎠/Wh)은 셀 제조공정에서 매우 중요한 변수다.
리튬이온 전지 산업은 기술 주도와 선점을 위해 지속적인 기술개발 투자가 필요한 기술집약 산업이다. 리튬이온 전지 소재는 성능 차별화 요소로 장기적 지속 개발이 필요하고, 활물질의 밀도조절, 균일화, 안정화 등이 해결되어야 한다.
리튬이온 전지는 수요자에 따라 사양이 다르므로 수요자 요구 조건에 맞추어 최적 설계 및 생산성, 신뢰성 향상을 위한 공정관리 고도화가 이루어져야 하는 특징을 가지고 있다. 따라서 맞춤형 전기자동차, 모바일뿐만 아니라, 드론, 로봇, 우주, 방위산업 등 다양한 수요자의 요구(형태, 성능, 품질, 가격 등)에 대응할 필요가 있다.
본 리튬이온 전지의 심층리뷰에서는 리튬이온 전지 및 관련 소재산업의 전반적 현황 및 미래기술 동향으로부터 리튬이온 전지 관련 종사자의 시장 선점 노력을 소개하고자 한다.
리튬이온 전지의 시장과 소재(1편~2편), 리튬이온 전지의 제조와 성능향상(3편~4편)으로 나누어, 전체 4편의 리뷰로 리튬이온 전지의 시장동향과 요구사양, 셀 제조기술과 성능향상, 소재 로드맵, 전지의 에너지형과 파워형 설계 디자인, 그리고 전지 시스템의 안정화를 위한 전지팩 기술 로드맵에 관한 전반적 내용을 소개하고자 한다.
3편은 전기자동차용 리튬이온 전지의 에너지형과 파워형 셀 설계와 제조공정을 주제로 리튬이온 전지의 중장기적 요구 특성, 전지의 에너지형과 파워형의 셀 설계와 셀 제조공정, 관련 셀 제조 회사, 그리고 전지의 성능향상을 위한 기술적 이슈에 대하여 알아보았다.
결국 리튬이온 전지의 지속 성장을 위한 성능향상 이슈와 함께 전지의 사용 다양화를 위한 에너지형과 파워형 설계 관점에서 조사하였다.
2장. 리튬이온 전지 셀 현황
1. 리튬이온 전지 셀 개념도 및 셀 제조공정 개요
리튬이온 (이차)전지 개념도는 그림 1과 같다. 충전된 리튬이온 전지는 방전할 때, 리튬은 음극에서 양극으로 부도체인 유기 전해질을 통해 이동하고, 전자는 음극에서 양극으로 흘러 전기를 발생한다. 충전할 때는 반대로 양극의 리튬이온과 전자는 음극으로 흘러 전기를 충전한다.
리튬이온 전지는 사용하기 전에 반드시 충전을 해야 한다. 이는 +극 물질의 리튬이온을 빼서 –극으로 옮기는 일이다. 충전 전원을 연결하면 +극의 금속 산화물의 산화수가 증가하여 전극 물질이 전기중성을 유지할 수 없게 된다. 전극이 전기중성을 유지하려면 –하전을 띤 물질이 전극 층으로 들어와도 되지만 전극은 이미 리튬이온으로 가득 차 있는 상태라 그러지도 못한다. 결국 +하전 물질인 리튬이온이 전극에서 빠져서 전지 중성이 맞추어진다.
이것이 충전할 때 +하전을 띤 리튬이온이 전극에서 빠져야만 하는 이유이다. 그러므로 충전을 마친 전지의 +극 층간은 텅텅 비어 있고, 대신 –극의 층간은 리튬이온으로 가득 채워진다.
휴대전화나 자동차를 사용하는 순간, 전지는 자발적인 화학반응(방전)으로 전기에너지가 만들어진다. 이때 +극 물질의 금속 산화물은 –극에서 흘러나온 전자로 환원되고, +극의 전기중성을 유지하기 위해 +전하의 리튬이온이 층 사이로 들어간다. 전극 가까이에 있는 전해질의 리튬이온이 먼저 +극의 층간을 채우고 –극에 있었던 리튬이온이 다 빠질 때까지 반응은 계속된다.
동시에 -극에서는 리튬이온이 전해질로 빠져나오고, -극 전자는 휴대기기나 모터의 전선을 따라 +극으로 이동을 한다. 이때 이동하는 전자가 가진 전기에너지를 이용하는 것이다. 완전히 방전되면 전극 전지의 +극 층간은 리튬이온으로 가득하고 –극 층간은 텅 빈 상태가 된다.
전지의 수명이 다할 때까지 리튬이온은 전해질이라는 셔틀버스를 탄 고객처럼 +극과 –극 사이를 계속해서 왕복하고 있다.
(출처: https://blog.naver.com/krictblog/222244089700)
여기서 주목할 내용은 방전이 잘되어 하이 파워형의 전지가 되려면 움직임이 전자보다 늦은 리튬이온 이동이 관건이다.
음극의 리튬이온이 전해질을 타고 양극으로 되돌아가는 과정에서 활물질 사이의 리튬이온 이동이 쉽도록 전극 저항이 낮고, 분리막이 포함된 전해액 계면 면적이 넓을수록, 리튬이온 이동속도(양)가 높아진다. 전해액 계면 면적은 집전체 면적과 같다. 결국, 파워형 전지는 집전체 면적에 비례한다는 것을 알 수 있다.
리튬이온 전지 셀 제조과정은 매우 많은 공정을 거치며, 셀 형태나 회사의 제조방식에 따라 다소 다를 수 있으나 그림 2와 유사하게 도식화할 수 있다. 크게는 전극 공정, 조립공정, 활성화 공정으로 리튬이온 전지가 완성된다.
전극 공정은 양극재와 음극재의 슬러리를 제조하여 집전체 박막 위에 각각 코팅, 프레싱, 슬리팅 혹은 펀칭 후 건조하여 전극을 제조한다. 이후 드라이 룸에서 분리막을 사이에 두고 두 개의 극을 조립하는 공정은 스태킹, 탭 접합, 패킹, 이후 밀폐 등 조립공정을 거친다.
이후 전해질 주입 후 캔 내의 탈기 공정을 거치고 드라이 룸 밖에서 에이징과 함께 셀이 제조되는데, 대부분 자동화 공정으로 이루어진다. 이후 충·방전 시험을 거쳐 완성품 리튬이온 전지 셀이 생산된다.
리튬이온 전지 제조공정을 엔지니어링 측면에서 보면 표 2와 같이 비용량 증대 및 생산단가 낮추기를 위한 제조 장치의 최적화, 안전한 제조환경 구축을 위한 환경 기기, 그리고 제품 시험 및 품질보증을 위한 충·방전 시험기로 나누어 고려할 수 있다.
비용량 증대와 생산단가 낮추는데 필요한 주재료 즉, 양극재와 음극재의 코팅 액 제조에는 분체 혼합과 혼련기, 슬러리 제조기, 탈포 장치 등이 필요하다. 전극 판 제조를 위해서는 양극재와 음극재의 슬러리 코팅과 건조, 슬리팅과 프레싱 등 장비가 필요하다.
이후 셀 조립을 위해서는 초음파 융착 기기가 필요하다. 안전한 셀 제조환경 구축을 위해 환경 기기는 크린 룸, 드라이 룸, 용매 회수 보관을 위한 위험물 창고와 위험물 대응 장비 등이 부수적으로 필요하다. 제품 시험 및 품질보증을 위한 제조된 셀의 충·방전 시험기로서 다채널 충·방전 장치, 각종 계측 및 측정기 등이 필요하며, 이를 사용한 품질보증 데이터가 첨부된다.
2. 리튬이온 전지 셀 특성 현황 및 5년 이내 중기목표
(출처: 일본 공업재료, 2020년 9월호)
리튬이온 전지 특성 중 하나의 특성만을 향상하기는 비교적 쉽다. 그러나 리튬이온 전지의 비용량, 입출력 특성, 사이클 수명, 안전성과 비용을 포함하여 종합적으로 향상하는 것은 매우 어려워도 리튬이온 전지 특성의 합리적 타협점을 찾아내는 것은 가능하다.
셀과 모듈의 성능향상과 현황을 리튬이온 전지 비용량의 수준과 한계로 풀어볼 수 있다. 모바일 용도 및 전기 자동차용(EV) 전지는 비용량 Wh/kg, Wh/L이 일정 이상 수준이 아니면 실용성이 없다.
Wh 값은 주로 양극재 용량에 의해 결정되고, 공칭전압에 전압을 곱한 값이다(Wh = Ah × V). 셀 무게와 비용량(Wh/kg, Wh/L)은 양극·음극재와 전해액 외에도 집전체 박막과 외장재(용기) 무게나 부피를 함께 고려해야 한다. 이들 모두의 조합으로 리튬이온 전지 비용량이 결정되기 때문이다.
표 3과 같이 최근 사용되는 리튬이온 전지 특성 및 수명을 보면, 최저 비용량은 자동차용인 경우 200Wh/Kg 이하이고, 모바일은 400Wh/Kg 이상 수준이다. 모바일용은 셀이나 모듈 수준이면 사용할 수 있으나, 전기 자동차용의 경우 전지용량이 커서 전지 팩의 형태로 전지 관리 시스템(BMS)과 프레임 등이 추가되어야 한다.
따라서 전기 자동차용 리튬이온 전지의 비용량이 200Wh/kg 경우도 매우 높은 수준의 제품이다. 그 이상은 양극 재료의 대폭적인 Ah/kg와 전압 4~5V를 넘는 돌파구가 없다면 이 근처가 한계일지도 모른다.
2018년 GM의 Bolt와 Tesla의 model 3의 리튬이온 전지 비용량은 140~160kWh/kg 수준이다. 리튬이온 전지 최저 출력 특성은 4,000W/kg이고, 최저 사이클 특성은 0/100 SOC에서 3,000회 이상이다. 현재 리튬이온 전지 시장 요구 특성은 꽤 높다.
리튬이온 전지 생산에서 첫 번째 관문은 생산성과 단가 측면이다. 리튬이온 전지에 사용되는 주요 재료를 보면, 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등을 포함한 화학물질 9종, 구리와 알루미늄 등 금속 및 전해질 밀봉재 수지 등 6종이 있다. 제조공정은 슬러리 혼련 및 제조, 코팅, 건조 프레스, 슬리팅, 스태킹, 초음파(융착)접합 등 13공정 이상이다.
제조단가를 낮추기 위해서는 원료 단가를 대폭 낮추어야 하고, 제조공정을 획기적으로 개선하여야 한다. 2020년 현재 제조단가는 20만 원/kWh 수준에서 2030년에는 10만 원 이하(137$/kWh --> 2030년 60$/kWh) 수준이 될 것이다.
두 번째 관문은 리튬이온 전지 안전성과 사용 환경이다. 3R, 폐전지 리사이클, 케미칼 해저드가 해결되어야 하며, 안전법, UL, UN(수송), UNECE(EV) 등 현재의 안전성 규격은 유기 전해액 계 전지에 대해 확립되었으며, 새로운 물질의 출현에 따른 규격을 별도로 만들 수 있어야 한다. 결국, 리튬이온 전지의 원가와 공정 개선이 요구되며, 폐전지 리사이클과 사용하는 화학물질 위험 요소의 해결이 요구되고 있다.
3. 리튬이온 전지(셀) 성능변화: 비용량 변화
리튬이온 전지의 비용량 변화를 연도별로 그림 3에 나타내었다. 리튬이온 전지는 1991년 소니(사)가 처음으로 상용화하였다. 파나소닉사는 18650의 원통형 리튬이온 전지를 꾸준히 개선하여 100Wh/kg으로부터 약 280Wh/kg까지 비용량을 발전시켰으며, 크기도 21700으로 개선하여(전지 체적을 약 1.5배로 늘려) 전지 사용용량을 50% 더 증가시켰다.
2010년까지는 일본의 독주 무대였으나, 이후 한국과 중국이 후발로 시작하여 현재는 전지 성능과 생산 규모 면에서 대등 이상의 글로벌 수준으로 성장하였다.
리튬이온 전지(셀)의 상호 비교를 위해, 20Ah 클래스 파우치형 셀 기준으로 비교해보았다, 20Ah 클래스는 가장 범용성이 높고, 그 조합의 모듈화로 다양한 Wh 용량과 전압에 대응할 수 있다. 용량, 출력, 사이클 수명, 안전성과 비용 등이 균형 잡힌 제품으로 지난 10년간(2010년~2020년)은 눈에 띄는 특성 향상은 볼 수 없었고, 리튬이온 전지 중 에너지형 셀은 2010년에 비해 비용량이 약 20% 향상되었다. 최종적으로 비용량이 400~500Wh/kg인 전고체 리튬이온 전지를 개발하고자 하는 목표를 가지고 있다.
일차적으로는 리튬이온 전지의 에너지밀도를 향상하는 기술개발을 하고 있으며, 부가적으로 파워 밀도를 향상하고 있다. 파워 밀도 향상기술은 양극재와 음극재의 소재개발과 함께 제조사의 독자적인 셀 설계 및 제조기술을 추가해야 하는 기술이다.
정부가 발표한 2030 이차전지 산업(K-Battery) 발전전략(2021년 7월)을 표 4에 나타내었다. 2030년에 에너지밀도는 350Wh/kg. 주행거리는 600㎞, 충전 속도는 15분 이내, 셀 가격은 60$/kWh 이하 및 안전을 위하여 자가 진단 및 자가 치유가 되는 것을 목표로 설정하였다.
리튬이온 전지의 실용성, 가격, 안정성을 달성하기 위해서는 리튬이온 전지 소재 개발뿐만 아니라 리튬이온 전지의 셀, 모듈, 팩의 제조공정이 함께 개선되어야 한다.
4. 리튬이온 전지(셀) 디자인: 에너지형과 파워형
리튬이온 전지 제품에서 파워형은 전극 면적의 증가로 인해 에너지형과 비교해 비용량은 낮다. 즉 비용량은 셀의 사용 목적에 맞춘 설계 항목이며, 단순히 그 값이 큰 것만이 목표는 아니다.
리튬이온 전지의 수요가 가장 높은 전기 자동차 중심으로 볼 때, 개발 방향은 충전용량, 출력, 안전성, 디자인, 원가 등으로, 이를 해결하기 위해서는 관련 주재료(양극, 음극 활성 소재, 분리막, 전해질)의 혁신이 핵심이다.
한편 “비 전기 화학적인”의 부재료(금속박막 집전체, 전해질 봉지재 등)는 새로운 기능과 성능향상 요구 측면에서는 변화가 크지 않지만, 전지 시스템적 측면에서는 매우 중요하다. 따라서 셀과 모듈의 비용량 향상, 경량화, 비용 절감 및 안전성 향상 등 과제 해결에는 주재료와 함께 부재료의 검토가 필요하다.
현재 개발 동향을 보면, 일차적으로 리튬이온 전지의 에너지밀도를 향상시키고, 부가적으로 파워 밀도를 향상시키는 기술개발을 진행하고 있다.
전극은 양극 혹은 음극 소재를 알루미늄 혹은 구리 박막 집전체 위에 코팅한 박막 전극과 이를 연결하는 전극 단자로 이루어진다. 일차적으로 에너지형 양극재는 리튬이온 용량이 크고, 같은 용량(동일 양극재와 음극재의 양 기준)에서 파워형 집전체 전극 면적은 에너지형 전극 면적보다 크다.
리튬이온 전지 활성층 전극 면적은 집전체(전극) 면적과 거의 같다. 중장기적 목표로서 파워형의 경우 300㎠/Wh, 에너지형의 경우 100㎠/Wh인 경우, 집전체 전극 면적 차이는 양극과 음극 활성층 저항 변화와 방열 효과, 그리고 비용량에 영향을 줄 수 있다.
첫째, (동일 양의 양극 혹은 음극에서) 전극 면적 차이는 결국 전극 활성층 두께 변화를 가져온다. 파워형 셀의 경우 전극 면적은 에너지형에 비하여 3배 넓고, 전극 활성층 두께는 에너지 형 활성층 두께의 1/3로 얇다.
이는 충·방전 시 양극과 음극에서 분리막과 전해질까지 리튬이온 이동 거리 측면에서 보면, 이동속도가 느린 리튬이온의 이동 거리를 짧게 해줄 것이다. 충·방전 시 리튬이온 이동은 양극과 음극 사이에 존재하는 분리막과 전해질을 통해서 일어난다.
이들 전해질 계면 면적의 3배 증가에 따라 리튬이온 이동의 양적 증가는 면적에 비례할 것이다. 결국 리튬이온의 원활한 이동은 저항을 낮추는 결과를 가져올 것이다. 충·방전의 속도는 많은 요인이 함께 관여하지만, 저항 감소는 충전과 방전의 시간을 단축하게 하는 요인 중 하나이다.
둘째, 열전달과 전자의 흐름은 금속 집전체(금속단자 포함)를 통하여 이루어진다. 전지 구성 소재들의 열전도율은 매우 다르다. 양극 소재와 함께 상온(300°K)에서 분리막과 전해액의 열전도율은 0.2과 0.232KW/m/K로 매우 낮지만, 알루미늄 박막과 구리 박막은 237과 398KW/m/K, 흑연전극은 183KW/m/K로서 약 3 오더 높다. 따라서 금속 집전체를 통한 셀의 냉각은 매우 효과적이다. 이는 알루미늄과 구리 집전체 면적이 클수록 방열에 유리하여 안정한 리튬이온 전지의 작동에 이바지할 것으로 예상할 수 있다.
셋째, 양극과 음극 활성층 소재의 양은 같고 단순히 집전체(전극)만 고려하고, 이 면적이 3배로 넓어지면, 셀 비용량은 다음과 같이 약 16% 감소를 계산할 수 있다.
Wh 당 (음극 구리와 양극 알루미늄) 박막 집전체 부피를 계산하면,
100㎠ 면적 당 부피는 (=10㎝ × 10㎝) × 6㎛
= 100 × 10-4㎡ × 6 × 10-6m
= 6 × 10-8(㎥) 이다.
음극 집전체 구리와 양극 집전체 알루미늄의 비중(각각 8.96과 2.699g/㎤)을 고려하여, Wh 당 구리와 알루미늄 박막 집전체의 합 무게를 계산하면,
6 × 10-8㎥ × 11.66(=2.699+8.96) × 106g/㎥
= 6 × 10-8 × 11.66 × 106g
= 0.70(g/Wh) 이다.
60kWh의 구리와 알루미늄의 박막 집전체 합의 무게는 0.70g/Wh × 60kWh= 42.00kg이다.
한편 리튬이온 전지용량이 60kWh이고, 300㎠/Wh인 경우, 구리와 알루미늄 박막 집전체의 무게 합은 126kg(= 42.0kg × 3) 이다.
셀 300kg과 구리 및 알루미늄 금속박막 집전체 증가분 84kg(= 42kg × 2)과 기타 무게 130kg을 합하면, 전체 리튬이온 전지 팩의 전체 무게는 514kg이다.
즉, 300(셀) + 84(집전체 증가분) + 130(BMS 추가분) = 514(kg)이다.
따라서 리튬이온 전지 집전체 전극 면적에 따른 비용량은 다음과 같다.
100㎠/Wh인 경우: 60kWh/430kg = 139.5Wh/kg이고,
300㎠/Wh인 경우: 60kWh/514kg = 116.7Wh/kg이다.
비용량 감소는 약 16.3%[22.8/139.5 × 100 = 16.3(%)]로 계산되었다.
더욱 분리막과 전해질 등의 무게를 고려한다면, 이보다 더 감소할 것이다.
이상과 같이 동일특성 리튬이온 전지 구성에서 집전체 전극의 디자인 면적에 따라 리튬이온 전지의 저항 특성, 열 안정성, 비용량에 관계하는 것을 알 수 있다.
파워형 전지 특성은 전극 집전체 면적이 큰 요인으로 작용하여 에너지형에 비하여 비용량은 감소하지만, 빠른 열 방출 및 충·방전이 가능함을 알 수 있다.
비용량 감소는 동일 용량 확보에 필요한 탑재 전지 무게를 증가해야 한다. 현재 전기자동차(EV) 리튬이온 전지(팩) 무게는 자동차 무게의 1/5 수준으로 매우 높다.
결국, 파워형과 에너지형의 전지는 동시에 양립할 수 없고, 단지 절충(trade off)이 가능한 것을 알 수 있다. 40~80kWh급 전기자동차용 리튬이차전지는 비용량 향상이 가장 필요한 영역이다. 여러 전지 특성이 균형 잡혀서 현재 EV용에 사용되는 전지 제품은 비용량이 최대 160Wh/kg 수준일 것이다.
3장. 리튬이온 2차전지 제조공정 및 관련 제조사
전지를 형태에 따라 분리하면, 원통형, 각형, 파우치형 세 가지로 나누어진다. 원통형/각형은 같은 방식으로 양극재, 분리막, 음극재를 한 장씩 놓고 종이 말듯이 말아서 원통형 또는 각형 CAN에 넣고 밀봉하는 방식이다.
이 방식은 삼성SDI에서 주로 사용하고 있다. 파우치형은 양극재, 분리막, 음극재를 한 장씩 놓고 묶음으로 만든 후, 그 묶음을 한 장씩 쌓아서 봉지재에 넣어서 Press로 밀봉하는 방식이다. 봉지재는 다층 필름 구조를 갖는 전기 절연체이며, 산소 및 수증기에 대한 높은 배리어 특성을 갖는다. 이 파우치형 방식은 LG화학과 SK이노베이션에서 주로 사용하고 있다.
파우치형 리튬이온 전지의 제조공정은 그림 4와 같이 양극재 활성층 소재와 음극재 활성층 소재를 슬러리 상태로 코팅하여 양극과 음극을 제조하는 전극 극판공정, 양극, 분리막, 음극을 겹쳐서 눌러 재단하는 조립공정, 전해질을 넣는 전지 활성화 공정을 거쳐 리튬이온 전지가 완성된다. 각 공정의 자세한 내용은 다음과 같다.
단위 셀 타입에 따라 제조공정이 조금씩 다르지만, LIB 제조공정을 보면 극판 공정, 조립공정, 활성화 공정 순서로 이루어진다.
① 극판 공정: Mixing, Coating, Pressing, Slitting 장비 등을 이용하여 음극 전극과 양극 전극을 제조한다. 극판 공정에 전극의 집전체 역할을 하는 기재(Substrate: Al 혹은 Cu Foil)에 활물질, 도전재, 바인더 및 용제로 구성된 슬러리를 일정한 두께로 도포한다.
이후 건조하는 Coater 및 Roll to Roll 건조 공정을 거친다. 이후 전극 등이 혼합물이 코팅된 금속 포일(박막, Al / Cu)을 Roll Press를 이용하여 금속박막 위에 있는 음극과 양극 전극 층 두께 감소와 밀도를 증가시킨다.
이를 위해 Roll press 장비, 일정한 크기로 잘라주는 Slitter 장비 등을 사용한다. 기존에는 주로 일본/독일에서 수입해서 사용하였지만, 장비의 국산화로 외산 장비를 대체하는 추세이다.
극판 공정은 전극 공정이라고 불리며, 그림 5와 같이 리튬이온 전지에 사용되는 양극과 음극을 만드는 공정이다. 이는 혼합공정, 코팅공정, 프레싱 공정, 슬리팅 공정으로 나뉜다.
혼합공정은 활물질에 도전체와 바인더 및 용매를 섞어 슬러리를 제조하는 공정이다. 코팅 전 전극 소재인 양극 및 음극 활물질 슬러리를 각각 따로 제조하여야 한다. 먼저 바인더를 용매 NMP에 용해하고, 도전재를 분산시킨다.
이후 주 혼합을 위해 활물질 분산액에 준비된 바인더 용액과 도전재 액을 같이 혼합하여 슬러리를 제조하고 저장하여 둔다. 리튬이온 전지가 균일하고 안정적인 성능을 내기 위해서는 슬러리가 균일하게 섞여야 한다.
혼합공정의 설비는 정량의 다양한 혼합물 재료 배합과 균일한 슬러리 조성 및 이물 관리 능력이 필요하다. 생산성을 높이기 위해 시간당 더 많은 혼합 용량을 가지고 있어야 한다.
코팅공정은 혼합공정에서 골고루 섞여 만들어진 슬러리가 형태를 유지할 수 있게 각 극의 기판표면에 도포된다. 이러한 코팅공정은 기판(집전체)이 롤러를 타고 이동하며 그 표면에 슬러리를 도포한 후 열풍을 이용해 건조하는 방식으로 이루어진다.
코팅 간격, 두께, 코팅 속도, 코팅 패턴에 따라 전지의 성능이 달라지므로 롤러 속도를 안정적으로 제어하는 기술과 코팅 설비의 균일한 도포 성능이 요구된다. 혼합된 전극 물질이 기판에 완전히 흡착되기 위해 적절한 건조 능력이 요구된다.
프레스 공정에서는 코팅이 끝난 극판을 건조 후 압연 롤러로 압력을 가하여 기판에 혼합된 재료들을 납작하게 압착한다. 롤러에 의해 압착된 극판은 기판과 전극 물질의 결착력이 한층 더 증대된다.
압착 됨에 따라 두께가 줄어들고 입자 사이의 밀착도를 높여 더 높은 에너지밀도를 가지며, 전극 활물질 간의 접착을 증진해 리튬이온들이 더욱 원활하게 이동할 수 있게 한다.
슬리팅 공정은 극판 공정의 마무리 단계로 완성된 LIB 극판을 설계된 전지 규격에 맞게 전극 폭을 자르는 공정이다.
이때 안정적인 슬리팅을 위해서 날 회전속도와 압력을 균일하게 제어해야 한다. 이후 슬리팅 공정을 마친 롤 형태 전극 판은 조립공정에 들어가기 전에 장시간 건조를 통해 수분을 제거해 준다.
② 조립공정: 극판 공정은 그림 6과 같이 공급된 롤 형태의 전극 극판을 Notching, Stacking, Tab Welding, Packaging, Degassing 장비 등을 이용하여 요구되는 사양에 맞게 형상 및 용량별로 제조한다.
노칭은 롤 형태의 극판을 금형 프레스를 사용하여 탭 부위를 따내어 단판 극판 형태를 만드는 공정이다. 스태킹은 단판 극판을 분리막 사이에 두고 일정한 두께로 쌓는 공정이다. 탭 웰딩은 적층된 다수의 집전체 단판 극판으로부터 나오는 전류를 한곳으로 모으기 위한 집전체들의 묶음 공정이다.
패킹은 전지에 맞게 모양을 형성하고 전지를 감싸 전해액을 주입한 후 밀봉하는 공정이다. 탈 가스는 최초 충·방전 후 내부에 생긴 가스 불순물을 빼내고, 최초 형상을 완성하는 공정이다.
③ 활성화 및 테스트 공정: 조립공정에서 넘어온 전지 셀에 특정 전압 및 전류를 패턴에 맞게 충·방전 장비를 이용하여, 충·방전을 가함으로써 전지를 활성화하는 공정 및 해당 전지 셀에 문제가 있는지 확인하는 테스트 공정이다. 국내 상장회사는 피앤이솔루션이 있고, 비상장사 3곳이 더 있다.
리튬이온 전지용 공정 자동화 설비 제조사를 각 공정에 따라 국내 및 해외로 나누어 보면, 아래 표 5와 같다. 한국과 일본이 극판 공정 설비, 조립공정 설비, 활성화 공정 설비 등 전 공정에 걸친 제조 장비 회사를 가지고 있다. 조립공정 설비 중 파우치형 설비는 독일 Manz와 이탈리아 Solith 등 유럽 업체가 있다.
4장. 리튬이온 전지의 성능향상을 위한 기술적 이슈
그림 7을 보면, 리튬이온 전지는 모바일 IT 기기 및 전기 자동차용 전원, 전력저장용 전지 등 다양한 시장을 형성하고 있다. 리튬이온 전지의 성능향상을 위한 기술적 이슈로는 전지 고용량화, 고출력화, 안전성, 그리고 단가 낮추기 등이 있다.
전지의 고용량화를 위해서는 사용전압이 크거나, 고용량 소재를 개발하는 방법이 있다. 고출력을 위해서는 전극 저항을 낮추어 주거나 고출력 소재를 개발하는 방법이다. 전지 안정화는 박막 집전체 면적을 올려주는 설계 혹은 안정한 양극재를 개발하는 방법이다.
단가 낮추기는 에너지 밀도(비용량)를 높이는 설계, 전지 생산단가를 낮추기, 단가를 낮추는 양극 및 음극 소재 생산 등이 있다.
리튬이온 전지 고용량화를 위하여 사용전압이 높은 양극재 개발과 양극재와 전위차가 큰 음극재 활물질을 개발하는 것이다, 예를 들어, 리튬 메탈 전지, 리튬 황, 전고체 리튬이온 전지를 비롯하여 다가 전지, 소듐, 마그네슘 전지 등이 개발되고 있다.
리튬이온 전지의 고출력화를 위하여, 먼저 전지 충전 시 리튬이온 수용 능력이 큰 음극재를 개발해야 한다.
이후 전지 셀 양극재 및 음극재, 그리고 분리막과 전해질을 통해 이동하는 리튬이온의 이동을 쉽게 하도록 전극 내부저항 최소화가 이루어야 져야 한다. 이를 위해서 저항이 낮은 음극 및 양극 활물질 개발, 분산성이 좋은 양극재 및 음극재 활물질 슬러리 최적화, 활물질의 균일코팅 기술개발 등이 필요하다. 이를 통한 양극재 및 음극재 활물질의 패킹밀도 향상과 전극 내부저항을 낮출 수 있다.
리튬이온 전지의 안전성 향상을 위하여 열확산과 전자 이동을 원활히 해주어야 한다. 이를 위해 집전체 박막 전극 면적을 증가시키는 방법이 있다. 이때 집전체의 면적 증가에도 불구하고 가능한 중량을 낮추어야 한다.
방법으로는 구리 박막 두께를 ~6㎛ 이하인 제조기술을 개발하여 전지 비용량을 유지 혹은 증가하면서 셀과 팩 안전성을 증진할 필요가 있다.
전지 셀 및 팩 비용량을 높이는 다른 방법은 외부충격에 대한 보호를 위해 셀, 모듈, 팩의 커버 및 외관 프레임이 사용된다. 전지 셀과 팩의 안전성 유지를 위한 전지팩 프레임의 기계적 강도를 유지하면서 최소 무게를 유지할 수 있는 구조설계와 프레임 재료 경량화는 비용량 증대에 큰 도움이 된다.
마지막으로, 리튬이온 전지의 본격적인 대중화를 위해서는 전지팩 제조단가를 현재 125$/kWh에서 2035년엔 1/2 이하 수준인 65$/kWh로 낮추어야 한다. 이에 대한 대안으로 첫째, 비용량이 높은 양극 및 음극 소재 개발이 필요하다.
둘째는 현 리튬이온 전지 제조공정 단순화 및 자동화를 위한 제조공정 혁신이다, 마지막으로 사용 후 성능이 다소 낮아진 전지팩의 2차 활용과 관련 소재의 재활용이다.
5장. 결론
전기 자동차의 지속 확대와 함께 IT 기기의 무선화, 전력저장의 친환경화 등 글로벌 트렌드에 맞추어 리튬이온 전지 성장은 더욱 가속화될 전망이다. 이에 리튬이온 전지 산업의 급성장이 예상되고 글로벌 경쟁도 본격화될 것이다. 현재 한국·중국·일본이 유사한 수준으로 세계 선두 경쟁을 벌이고 있으나, 유럽 등 신규 국가들의 시장 진입도 본격화될 전망이다.
본 심층리뷰의 전기자동차용 리튬이온 전지의 에너지형과 파워형 셀 설계와 제조공정에서는 전기자동차용 리튬이온 전지의 에너지형과 파워형 셀 설계와 제조공정을 주제로 리튬이온 전지의 중장기적 요구 특성, 전지의 에너지형과 파워형의 셀 설계와 셀 제조공정, 관련 셀 제조 회사, 그리고 전지의 성능향상을 위한 기술적 이슈에 대하여 알아보았다.
결국 리튬이온 전지의 지속 성장을 위한 성능향상 이슈와 함께 전지의 사용 다양화를 위한 에너지형과 파워형 설계 관점에서 조사하였다.
리튬이온 전지 제조공정에서 금속박막 형태의 집전체 전극 면적의 중장기적 목표는 에너지형은 100㎠/Wh이고, 파워형은 300㎠/Wh이다.
금속박막 집전체는 전지 충·방전 과정에서 전자와 발생 열의 이동통로 역할을 하여 전지 시스템적 안전성 강화 측면에서 매우 중요하다. 집전체 전극 면적은 양극과 음극의 활성층 저항 변화와 그리고 비용량에 영향을 주는 매우 중요한 설계 디자인 요인이다.
리튬이온 전지의 성능향상에 관한 기술적 이슈는 전지의 고용량화, 고출력화, 안전성 강화, 그리고 단가 낮추기 등이 있다.
리튬이온 전지의 제조공정에서 양극 활물질 및 음극 활물질 전극의 내부저항 최소화에 의한 전지의 고출력화를 이루기 위하여 활성층 막의 균일패킹, 슬러리 최적화 등이 남은 숙제이다. 양극 활성 소재와 음극 활성 소재의 균일 분산 및 코팅으로 인한 활성 입자의 패킹밀도 향상은 코팅공정에서 항상 대두되는 이슈이다.
리튬이온 전지의 본격적인 대중화를 위해서는 전지팩 제조단가를 현재의 125$/kWh에서 2035년 1/2이하 수준인 65$/kWh로 낮추어야 한다. 이에 대한 대안으로 첫째, 비용량이 높은 양극 및 음극 소재 개발이 필요하다.
둘째는 현 리튬이온 전지 제조공정의 단순화 및 자동화를 위한 제조공정 혁신이다, 마지막으로 사용 후 성능이 다소 낮아진 전지팩의 2차 활용과 관련 소재의 재활용이다. 이는 제조산업의 친환경 정책과도 잘 맞는 부분이다.
차세대 이차전지 개발을 통한 도약을 위해 세계 각국이 경쟁하고 있어 향후 10년이 매우 중요한 시점이다. 리튬이온 전지의 안전성과 고용량 기능을 갖는 리튬 황 전지, 리튬-공기 전지, 전고체 리튬이온 전지, 혹은 다소 논란이 있지만, 무 음극 리튬이온 전지 등 새로운 소재개발과 제조공정 개발이 우리 힘으로 이루어져, 전지 산업의 지속 성장이 이어지기를 간절히 바란다.
주 1) 리튬이온 이차전지가 정식 명칭이지만, 본 원고에서는 리튬이온 전지(Lithum ion Battery: LIB)로 표기하였다.
주 2) 본 심층 보고서의 내용은 리뷰자의 주관적 의견이고, 관련 회사의 공식 입장과 다를 수 있다.
