전구체 프리 삼원계 양극재 제조공정에 대한 이해

안녕하세요. 공대생P입니다. 이번 2025 인터배터리 전시회를 참관하면서 다양한 기업들이 소개하는 기술 중 하나는 '전구체 프리'라는 문구였습니다. 이번 포스팅에서는 전구체 프리 기술이 어떤 제조방법을 거치고, 어떤 의미인지 공부해 보겠습니다.

 

 

1. 전구체(Precursor)란?

https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=33428

LG화학, 전구체 프리 양극재 국내 최초 양산 - 전자부품 전문 미디어 디일렉

대표적인 양극재 제조사(LG Chem, Ecopro, L&F)등은 전구체 프리 기술에 대해서는 이야기하지만, 국내 양극재 제조사들은 세부적인 공정방법에 대해서는 기술하지 않았기 때문에 해당 자료들은 해외 'NOVONIX'사의 자료를 주로 참고하였습니다.

 

'전구체'란 무엇일까요? 전구체(Precursor)의 정의는 최종물질을 합성하기 중간 단계에서 사용하는 반응물을 전구체라고 부르고 있습니다. 전구체(Precursor)와 전고체(All-solid state) 용어를 많이 헷갈려하는 경우를 많이 보았습니다. 전구체는 양극재 제조에 사용되는 원료이고, 전고체는 모든 구성성분이 고체인 배터리 완성품을 의미합니다.

 

국내 양극재 회사들은 니켈, 코발트, 망간 3가지 전이금속이 분포되어 있는 삼원계 양극재를 생산하고 있습니다. 양극재 회사들은 해당 제품을 생산하기 위한 전구체로 NiCoMn(OH)2 수산화물 형태의 물질을 원료로 사용하고, 이 물질과 Li2CO3, LiOH 물질을 고온 소성시켜 양극재를 제조합니다. (NiCoMn(OH)2 → LiNiCoMnO2)

 

 

 

2. 전구체 프리 삼원계 양극재 제조공정

NOVONIX 자료 (출처 : NOVONIX)

위 자료는 NOVONIX라는 캐나다 소재사에 대한 자료입니다. NOVONIX는 전구체를 사용하지 않고, 친환경적인 공법을 사용하는 NCM622 양극재에 대해 소개하였습니다. 

양극재 제조 공정 비교 (출처 : NOVONIX)

기존 전구체 공정 (a)

기존 전구체 공정은 공침법(Co-precipitation)을 이용하여 수산화물을 제조하는 방법입니다. 원료로 NiSO4, CoSO4, MnSO4를 물에 녹여 합성하는 방법을 사용합니다. 합성하면서 추가적인 NH4OH와 같은 첨가제를 넣어 입자와 시켜 수득하는데, 문제는 폐수에 대한 부분입니다. 균일한 제품을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 오폐수가 발생하여 친환경적이지 않고 폐수처리비용이 발생합니다. 결과적으로 생성된 전구체와 Li source를 고온 소성시켜 양극재를 제조합니다.

 

전구체 프리 공정-NOVONIX (b)

전구체 프리 공정은 원료를 배합한 후 바로 고온 소성시켜 양극재를 제조하는 공정입니다. 위 공정은 단순하고, 용액기반 합성이 아니기 때문에, 폐수가 발생하지 않습니다. 또한 공정이 간단하여 제조 가격도 훨씬 저렴한 것이 특징입니다. 해당 자료가 기업자료이기 때문에 원료가 어떻게 들어가고 조건이 어떻게 되는지는 정확하게 나오지 않았습니다. 

NCM622 전구체프리 제조방법 (출처 : Journal of Alloys and Compounds Volume 844, 5 December 2020, 156034)

이해를 쉽게 하기 위해 해외학술지에 게재된 '전구체프리 NCM622 양극재' 제조 모식도를 첨부하였습니다. 해당 문헌에서는 원료로 NiO, Co3O4, Mn(CH3COO)를 원료로 사용하고 Li2CO3를 리튬 Source로 적용하여 입자를 잘게 부수는 'Ball-milling' 공정을 거친 다음 고온에서 소성시켜 양극재를 제조하였습니다.

 

XRD 데이터 양극재 비교 (출처 : NOVONIX)

전구체 프리 공정 (NOVONIX)으로 제조된 NCM622 제품과 상용 공침법으로 제조된 NCM622 제품의 비교 결과입니다. 무기물의 결정상을 나타내는 분석방법인 XRD 분석 결과, NOVONIX사와 상용 NCM622의 결정상이 같은 것을 확인할 수 있었습니다. 각각의 Peak가 일치함에 따라 제조된 공법은 다르지만, 동일한 물질이 제조되었음을 확인하였습니다.

전기화학평가 결과 (출처 : NOVONIX)

또한 양극재의 주된 기능인 전기화학평가를 진행하였습니다. 해당 자료가 회사의 자료여서 그런지, 신뢰성이 떨어지는 코인셀보다 파우치셀에서 실험을 진행한 것이 의미 있었습니다. 실험 결과, 전구체 프리로 제조된 양극재는 거의 동등한 수준의 방전용량을 나타내는 것이 확인되었습니다.

1Ah 파우치셀 정보 (출처 : NOVONIX)

NOVONIX사는 양극재의 주요 스펙도 비교하여 발표하였습니다. 위 표는 양극재에서 주로 보는 주요 분석 데이터입니다. ITEM 항목에서부터 하나씩 보도록 하겠습니다. 

- Chemistry  : 양극재를 구성하는 전이금속(Ni, Co, Mn) 함량을 확인한 결과, NCM622의 제품의 함량에 맞게 비슷한 함량을 나타내는 것을 보여주었습니다. 차이점으로 NOVONIX 제품의 Li wt%가 1wt% 나 더 높은 것을 보여주었습니다.

- Impurities : 양극재 제품의 불순물을 나타내는 지표입니다. 주요 구성 전이금속인 Ni, Co, Mn이 아닌 타 금속원소에 대한 함량을 나타냅니다. 

- Lithium residuals : LiOH, Li2CO3는 주로 잔류 리튬이라 부르고 있습니다. 이 잔류리튬은 배터리에 적용 시, 부반응을 일으켜 셀 성능을 저하시키는 물질로 알려져 있습니다. 잔류리튬에 대한 수치는 전구체프리공법을 이용하면 약 절반가량 함량이 감소하는 것을 보여주었습니다. 

- BET : 양극재의 비표면적

- PSD : 제조된 제품의 입도 크기를 나타내는 분석 결과입니다. 전반적으로 NOVONIX사의 전구체프리 제품의 입도가 작은 것을 보여주었습니다. 입도 또한 배터리 성능에 영향을 주기 때문에 셀 설계에 따라 고객사마다 선호하는 크기가 달라집니다.

 

 

 

3. 정리 : 전구체사용(기존공법) vs 전구체프리(NOVONIX)

구분	전구체 사용	전구체 프리
기본제조공법	Ni, Co, Mn 액상에서 침전시켜 전구체를 제조한 후, 리튬원료와 소성하여 제조	Ni, Co, Mn 산화물 또는 Li 원료를 직접혼합하여 고온에서 바로 소성
공정 복잡성	복잡 (전구체제조 → 건조 → 혼합 → 소성)	단순 (혼합 → 소성)
잔류리튬	높음	낮음
환경적 이슈	액상 반응에 따른 폐수 발생	건식 반응이기 때문에 폐수 발생X 친환경적
제조비용	높음	저렴
생산성	좋음 (현 양산공정)	제한적

 

마지막으로 각 두 가지 공정을 비교해 보았습니다. 전구체 프리 공법에 대해서 이전 문헌에는 나와있었지만, 기업들의 양산화가 되지 않았던 부분은 분명히 양산성에 대한 문제가 있다고 판단됩니다. 현재는 모두 전구체를 사용하는 방식을 채택하고 있기 때문에 기업마다 제조방법은 알려져 있지 않아 문헌과 NOVONIX사의 자료를 참고하여 글을 작성해 보았습니다. 양산성만 있다면, 확실히 전구체 프리 공정은 장점이 있으며 배터리 셀 가격도 감소시킬 수 있을 것으로 예상됩니다. 

 

이번 포스팅에서는 이번 인터배터리의 화제인 전구체프리 양극제에 대해 알아보았습니다. 이상으로 글을 마치겠습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

 

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