배터리의 양극과 음극을 만드는 핵심 과정인 ‘전극 공정’. 전극 공정의 첫 단계는 바로 ‘믹싱 공정(Mixing)’입니다. 믹싱 공정은 양극과 음극을 만드는데 필요한 각종 원자재를 계량하여 혼합하는 과정인데요. 이 단계에서 배터리 소재의 기초가 되는 활물질과 용매 등을 함께 섞어 슬러리를 만듭니다.
믹싱 공정 장비
음극 활물질(음극재)은 결정구조가 약하기 때문에 강한 전단 응력(단면에 대하여 평행하게 작용하는 응력)을 가하는 기기를 사용할 수가 없는데요. 그래서 밀가루를 반죽할 때 사용하는 기계와 유사한 모습의 ‘플래니터리 밀(Planetary Mill)’ 기계를 사용하여 믹싱 작업을 진행하게 됩니다.
*음극 활물질은 흑연을 사용하는 공정을 기준으로 설명합니다.
믹싱 공정의 바인더
믹싱에 투입하는 활물질의 입자 간 접착력을 높이기 위해서 ‘바인더(굳게 하는 물질)’를 첨가하는데요. 전극에 투입되는 바인더는 전해질과의 접촉이나 전극 내에서 일어나는 산화·환원 반응에도 접착력이 고정될 수 있는 특성을 지녀야 하죠. 따라서, 접착력과 용해성, 전기화학적 안정성, 화학적 안정성을 두루 갖춰야 좋은 바인더 소재라 할 수 있습니다.
PVDF X NMP
일반적인 바인더 소재로는 ‘PVDF(Polyvinylidene Fluoride, 폴리비닐리덴 플루오라이드)’가 사용되는데, 주로 ‘NMP(N-Menthyl-2-Pyrrolidone, 노말메틸피롤리돈)’ 용매와 함께 사용됩니다. PVDF와 NMP의 조합은 접착력이 우수한데다, 도전재의 분산을 용이하게 하고 산화·환원 반응에도 안정적인 장점이 있죠. 최근에는 에너지 밀도를 더 높이기 위해서, 활물질의 함량을 높이고 바인더의 함량은 줄일 수 있는 ‘SBR(Styrene-Butadiene Rubber)’이나 ‘CMC(Carboxymenthyl Cellulose)’를 바인더 소재로 사용하기도 합니다.
활물질과 도전재
활물질의 각 입자 크기가 어떤 비율로 분포해 있는지(입도 분포)가 믹싱 공정과 전극의 품질에 영향을 끼치기도 합니다. 너무 크거나 작은 활물질은 분진을 일으킬 수 있기 때문에 제거해야 하죠. 또, 활물질에 점 접촉(point contact)이 많아지면 사이사이 빈틈들로 인해 용량이 줄어들 수 있어 전자 전도 물질인 ‘도전재’를 넣어 빈틈을 메꿔야 합니다.
드림라인 2.0
믹싱 공정은 전극 활물질에 바인더와 용매, 도전재를 추가하여 섞고 그 결과 중간재인 슬러리를 만드는 것으로 정리할 수 있습니다. 최근 LG에너지솔루션은 GM과의 합작사인 얼티엄셀즈 공장에 믹싱 공정 장비를 3,500리터 급으로 업그레이드하는 ‘드림라인 2.0’을 적용할 예정이라 밝혔는데요. 용량을 늘려 배터리 수율과 믹싱 공정의 효율을 높이기 위함입니다.
배터리 제조 과정 중 전극 공정의 첫 번째 단계인 믹싱 공정에 대해 자세히 알아보았는데요. 믹싱 공정을 통해 만들어진 슬러리는 또 어떤 과정을 거치게 될지, 다음 시간에 전극 공정의 두 번째 단계, ‘코팅(Coating) 공정’을 소개하면서 자세히 살펴보겠습니다.