배터리 제조 공정 : 첫 번째 단계 '전극 공정' 알아보기

배터리 제조는 크게 전극, 조립, 화성, 모듈/팩 공정 순으로 진행이 됩니다. 이번 포스팅에서는 제조 공정 중 첫 번째 공정인 '전극 공정'에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 전극 공정은 배터리의 중요한 성능 요소를 결정하는 과정으로 배터리 제조의 약 30~35% 비용을 차지하는 핵심적인 단계입니다.

배터리 제조 공정 전극 공정 — 배터리 전극 공정 (출처: LG에너지솔루션)

믹싱 공정

전극 공정 중 첫 번째 단계로 '믹싱 공정'이 있습니다. 믹싱 공정은 배터리의 양극 활물질과 음극 활물질을 도전재, 바인더, 용매와 함께 섞어 '슬러리(Slurry)'라는 농후한 액체 상태를 만들어 내는 과정입니다. 활물질의 입자 사이즈, 분산 상태, 슬러리의 점도 등이 배터리 성능에 중요한 역할을 하므로, 이들을 정확하게 조절하는 것이 중요합니다.

양극 활물질로는 보통 리튬 니켈 코발트 망간 산화물(LiNiCoMnO2)이나 리튬 철 인산염(LiFePO4)이, 음극 활물질로는 흑연이나 실리콘 등이 주로 사용됩니다.

바인더는 활물질의 입자 간 접착력을 높이는 역할을 합니다. 바인더는 전해질과의 접촉이나 전극 내에서 일어나는 산화·환원 반응에도 접착력이 유지되는 특성을 가져야 하며, 접착력과 용해성, 전기화학적 안정성, 화학적 안정성을 모두 갖춰야 합니다.

그리고 활물질 사이의 빈틈이 너무 많아 용량이 줄어들지 않도록 전자 전도 물질인 '도전재'를 추가하여 빈틈을 채워줍니다. 또한 너무 크거나 작은 활물질 입자는 분진을 발생시키기 때문에 제거합니다.

코팅 공정

배터리 전극 공정의 두 번째 단계인 '코팅 공정'에 대해 살펴보겠습니다. 믹싱 공정에서 양극과 음극 슬러리를 만든 후, 이 슬러리를 코팅 기계를 통해 알루미늄 포일과 구리 포일에 얇게 코팅하는 과정이 바로 코팅 공정입니다.

코팅 공정은 중간재에 포함된 바인더를 전극에 골고루 분포시켜 배터리의 균일한 성능과 수명을 향상시키는 핵심적인 과정입니다. 이때, 알루미늄과 구리 집전체를 손상시키지 않기 위해 롤투롤 장비 제어 기술이 필요하며, 일정하고 균일하게 코팅하는 기술이 요구됩니다.

이 과정에서 중요한 변수 중 하나는 'N/P 비율'입니다. 이는 음극의 총용량을 양극의 총용량으로 나눈 값으로, 배터리의 성능과 안정성을 결정하는 핵심적인 요소입니다. N/P 비율이 낮으면 배터리 용량은 커지지만 안정성은 감소하며, 반대로 N/P 비율이 높으면 배터리의 수명은 늘어나지만 비용이 증가합니다. 따라서, 배터리 제조사는 자신들의 필요에 맞게 N/P 비율을 조절하여 코팅 공정을 진행합니다.

프레싱 공정

전극 공정의 세 번째 단계인 '프레싱 공정'에 대해 알아보겠습니다. 혼합된 슬러리를 포일에 도포하고 건조하는 코팅 공정을 거친 후, ‘프레싱 공정’이 이어집니다. 이 과정은 두 개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 일정하고 편평하게 만드는 과정으로 압연(Rolling) 공정이라고도 합니다.

롤 프레싱 공정은 배터리 전극의 밀도와 성능, 그리고 표면의 품질을 결정하는 중요한 단계입니다. 커다란 롤이 전극 위로 굴러가면서 전극을 얇고 편평하게 만들어 밀도를 향상시키고, 이 과정에서 전극 표면과 활물질 간의 결합력이 더욱 좋아져서 리튬 이온이 원활하게 이동하게 되며, 결과적으로 전지의 출력과 성능이 향상되게 됩니다.

이 과정에서는 '합제 밀도'라는 중요한 요소를 결정해야 합니다. 합제 밀도란 활물질과 도전재, 바인더가 혼합된 슬러리의 압축된 정도를 의미하는데, 특히 흑연 음극의 경우 결정 구조가 약해 압력이 높으면 구조가 쉽게 깨질 수 있으므로 양극보다 낮은 합제 밀도를 적용해야 합니다.

슬리팅과 노칭 공정

배터리의 양극과 음극 제조는 믹싱, 코팅, 롤 프레싱 공정을 거친 후, 마지막 단계인 ‘슬리팅과 노칭 공정’을 거쳐 완성됩니다. 롤 프레싱 공정을 통해 얇게 펴진 전극이 배터리 크기에 맞게 절단되는 이 단계는 총 두 단계로 나뉩니다.

먼저, 슬리팅 공정을 통해 전극을 세로 방향으로 잘라 배터리 규격에 맞게 만듭니다. 이 과정에서는 슬리터(Slitter)를 사용하며, 만들고자 하는 배터리 셀의 크기에 따라 칼날이 변경되어야 합니다. 슬리팅 공정 후에는 진공 건조기를 이용해 수분을 제거하는 단계를 거칩니다.

다음 단계인 노칭 공정에서는 양/음극 활물질이 도포되지 않은 무지부에서 탭(Tab)을 접지하기 위한 부분을 남기고 나머지 부분을 잘라냅니다. 이때 노칭 공정 장비로는 칼날을 사용하는 프레스 장비와 레이저 장비가 있습니다. 하지만 칼날 마모로 인한 절단부의 불규칙성과 이물질 발생을 최소화하기 위해 현재는 주로 레이저 노칭 장비를 사용합니다. 이는 공정 속도가 빠르고 칼날 교체가 불필요해 유지 관리 비용이 적다는 장점이 있습니다.

이렇게 배터리의 양극과 음극을 만드는 전극 공정은 노칭 공정까지 마치면 완료되며, 이어서 배터리 제조의 두 번째 단계인 양극판과 음극판, 그리고 분리막을 합치는 조립 공정으로 넘어갑니다. 다음 글에서는 조립 공정에 어떤 기술들이 사용되는지 살펴보도록 하겠습니다.

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