하이니켈 양극재 제조 공정에 대한 이해

안녕하세요. 공대생P 입니다. 인터배터리 엘앤에프의 전시회에서 하이니켈 전극의 제조공정을 소개하였는데요. 해당 제조공정 내용을 기반으로 리튬이온배터리의 용량을 담당하는 양극재 소재가 어떤 공정과 방법으로 제조되는지에 대해 설명하도록 하겠습니다.

 

 

 

본 내용을 설명하기에 앞서, 배터리 대표 소재인 양극에 대한 개념과 종류에 대한 이해가 필요하신 분들은 다음 포스팅을 참고하신 후 내용을 보면 이해하는데 도움이 되실 겁니다.

리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류

리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류

하이니켈 전극은 크게 전구체(Precursor)와 반제품(Bare)으로 나뉩니다. 이 차이를 간단히 설명하면 다음과 같습니다. 전구체 제조공정은 니켈, 코발트, 망간 전이금속이 결합된 무기물 구조이며, 반제품은 이 구조 내부에 리튬이 결합되어 있는 것을 의미합니다. 

전구체(Precursor) : 리튬을 첨가하기 전의 전극

반제품(Bare) : 리튬이 첨가된 후의 전극

NCM811 제조과정 (출처 : Energies   2022 ,  15 (16), 5794)

 

 

1. 전구체 제조공정

전구체는 대표적으로 화학적 공침법(Co-precipitation)을 이용하여 합성되는 물질입니다. pH나 특정 화합물을 사용하여 입자의 크기 및 형상을 제어하는 특징이 있습니다. 제작되는 과정은 다음과 같이 크게 9가지로 구분되어 진행되고 있습니다.

 

원료용해→정제 및 농도조절→원료공급→반응 및 저장→여과 및 세정→건조→체거름→전자석탈철→포장

 

원료용해 : 전구체 반응에 필요한 원재료를 용해

정제 및 농도조절 : 제조하고자 하는 Ni, Co, Mn의 비율과 농도를 조절하고 불순물을 제거 

원료공급 : 농도 조절 후 pH를 조절하는 시약인 NaOH, NH4OH를 준비

반응 및 저장 : NaOH, NH4OH 시약들을 연속적으로 투입하여 교반 하여 물리-화학적 공침법을 이용하여 전구체 합성

여과 및 세정 : 전구체와 반응여액을 여과 및 분리, 불순물 추가 제거 

건조 : 고온에서 건조하여 전구체 내부 수분제거

체거름 : 물리적인 입자 크기를 이용하여 불순물을 제거하여 제품 순도를 향상함

전자석 탈철 : 고전류 자기장을 이용하여 자성금속 불순물 제거

포장 : 제조된 제품 포장

 

 

 

2. 반제품(Bare) 제조공정

반제품은 제조된 전구체에 리튬을 포함하는 화합물인 LiOH, Li2CO3를 혼합 및 고온에서 화학반응을 통해 완전한 전극으로 반응시키는 공정입니다,

 

원재료투입→정밀 계량 및 혼합→충진→소성→포장

 

원재료투입 : 주 원재료인 전구체와 리튬(LiOH, Li2CO3)을 보관 및 준비

정밀 계량 및 혼합 : 정밀 계량기를 활용하여 제조하고자 하는 비율로 균일한 혼합물 제조

충진 : 혼합품을 소성하기 전 혼합품을 세라믹 용기에 정량계량

소성 : 높은 온도의 소성로에서 화학반응(소결)을 유도하여 양극활물질(Cathode)로 제조

포장 : 제조된 제품 포장

 

 

 

이번 포스팅에서는 대표 양극재인 하이니켈 NCM의 제조공정에 대하여 알아보았습니다. 배터리 시장에서 고용량 에너지를 구현하는 만큼 제품 관리가 까다롭고 공정 난이도가 높은 제품으로 알려져 있습니다. 다음시간에는 또 다른 유익한 정보로 찾아오도록 하겠습니다. 해당 포스팅이 많은 도움이 되길 바랍니다.