리튬이온배터리 4대 공정 첫번째 : 전극공정

리튬이온배터리는 조립품목으로 반도체와 같이 여러 다양한 공정을 통해 조립되고 있다. 크게 전극공정, 조립공정, 활성화공정, 팩 공정 총 4가지로 알려져있다. 이번 포스팅에서는 양극과 음극전극을 제조하는 공정의 세부 공정들에 대해 설명하고자 한다.

 

 

 

전극공정은 리튬이온배터리를 구성하는 핵심소재인 양극과 음극에 관련되어 있는 공정이다. 집전체에 전극을 균일하게 코팅하는 것이 핵심이다. 균일하게 코팅되어 있지 않으면 셀간 편차가 발생하고 부반응이 일어나기 쉽다. 

리튬이온배터리 전극공정 (출처 : buschvacuum)

1. 혼합공정 (Mixing process)

혼합공정은 전극을 구성하는 재료들을 섞어주는 공정을 뜻한다. 고속의 믹서를 사용하여 재료들을 섞어준다. 양극의 경우에는 기본적으로 3가지의 재료가 들어간다. 용량과 관계있는 활물질(Active material), 전도성을 증가시켜주는 도전재 그리고 극판인 Al집전체에 재료들이 잘 달라붙게 해주는 바인더(ex:PVDF)가 유기용매(ex:NMP)에 분산되어 사용된다. 이 재료들을 잘 섞어주면 점성이 높은 슬러리가 제조된다.

 

음극의 경우에도 양극과 유사하다. 활물질, 도전재, 바인더가 사용되지만, 음극의 경우에는 바인더가 수계바인더(ex:CMC,SBR)이기 때문에 유기용매가 아닌 물에 분산시켜 슬러리를 제조한다. 혼합공정이 중요한 이유는 에너지 밀도와 관련되어 있다. 위 재료들이 균일하게 잘 섞여 있어야 리튬이온전도도가 향상되어 저항을 최소화하고 높은 에너지밀도를 갖는 전극을 만들 수 있기 때문이다. 

 

 

 

2. 코팅공정 (Coating process)

코팅공정은 혼합공정에서 만들어진 슬러리를 집전체에 코팅하는 것이다. 높은 점도를 갖는 슬러리를 이용하여 양극은 알루미늄, 음극은 구리 집전체에 슬러리를 균일하게 코팅한다.

전극 코팅공정

코팅 공정은 전극 두께와 관련이 있어 중요하다. 많은 양의 슬러리를 코팅하면 전극 두께가 두꺼워지고, 적은 양의 슬러리를 코팅하면 전극 두께가 얇아지는 특징이 있다. 배터리에서 이와 관련된 단위면적당 전극무게를 표현하는 스펙을 로딩레벨(Loading level)이라 부른다. 전지 제조사들은 최대한 많은 에너지밀도를 내기 위해 두꺼운 전극을 제조하고자 하지만 유기용매에 분산시켜 제조된 슬러리로 코팅을 하기에는 한계가 있다.

 

이에 따라 현재는 두꺼운 전극을 제조하기에 용이한 건식전극 (https://sm10053.tistory.com/entry/%EA%B1%B4%EC%8B%9D%EC%A0%84%EA%B7%B9-Dry-electrode-%EC%A0%9C%EC%A1%B0-%EA%B3%B5%EC%A0%95%EA%B3%BC-%EC%9E%A5%EC%A0%90)도 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 

 

 

 

3. 압연공정 (Pressing process)

용매가 제거되고 잘 코팅된 전극은 압연공정을 맞이하게 된다. 압연공정은 롤러에 전극을 지나가게 하여 두께를 줄이는 것이다. 배터리 성능중에 매우 중요한 스펙은 에너지밀도이다. 단위 부피당 에너지 밀도를 높이기 위해서는 압연공정이 매우 중요하다.

전극 Roll pressing 기기

그 이유는 압력을 주어 전극의 두께를 줄이면, 에너지는 유지하되 두께가 줄어들어 단위부피당 많은 전극을 사용할 수 있기 때문이다. 또한 슬러리 건조과정에서 생겨난 활물질, 도전재, 바인더의 빈공간들을 압력을 가해 공간절약의 이점이 있다. 바인더와 극판인 집전체와의 결착력과 활물질 도전재의 결합도 향상시켜주기 때문에 구조적인 안정성에도 기여하는 공정이다.

 

 

 

4. 슬릿-건조-노칭공정 (Slit-drying-Notching process)

압연공정을 거친 전극은 슬릿&노칭공정이 적용된다. 슬릿공정은 고객이 원하고자 하는 스펙에 맞춘 크기로 절단하는 공정이다. 결과적으로 원하고자 하는 셀의 규격에 맞게 만들어주는 공정이라 생각하면 된다. 슬릿다음에 간단한 공정으로 건조공정이 있는데, 고온에서 배터리에 해가되는 수분을 제거한다. 다음과정으로 노칭공정의 경우에는 전자가 흐르는 이동통로로 사용될 탭(tab)을 제외한 부분을 제거한다. 

 

 

위 4가지 과정을 거치면 최종적으로 배터리에 사용될 전극이 제조된다. 다음 포스팅에서는 만들어진 전극을 갖고 조립하는 조립공정에 대해서 포스팅할 예정이다.