배터리의 전극은 양극과 음극으로 구분됩니다. 이 두 전극 사이에서 발생하는 화학적 반응을 통해 전기가 생성되며, 이는 배터리의 핵심적인 역할을 수행합니다. 따라서 양극과 음극을 제작하는 전극 공정은 매우 중요하다고 할 수 있죠.
전극 공정에는 현재 주로 사용되고 있는 ‘습식 공정’과 차세대 기술로 불리는 ‘건식 공정’이 있는데요. 이번 시간에는 인포그래픽을 통해 습식 공정과 건식 공정의 특징을 보다 쉽게 설명드리겠습니다!
일반적으로 쓰이는 전극 제조 기술, 습식 공정
전극 공정은 배터리 제조 공정 중 가장 첫 번째로 진행되는 공정이며, 현재 배터리 업계에서는 습식 공정 방식이 주로 활용되고 있습니다.
습식 공정은 믹싱 공정 → 슬러리 제조 → 슬러리 코팅 공정 → 용매 건조 → 롤 프레싱 공정 순으로 진행됩니다.
먼저 믹싱 공정에서는 양극, 음극의 활물질을 여러 원자재와 혼합하게 되는데요. 전극 활물질과 접착력을 높이는 바인더, 전자의 이동을 돕는 도전재를 용매(Solvent)와 섞습니다. 이러한 물질을 혼합해 액체 형태의 슬러리(Slurry)를 완성시키죠.
그 다음, 전극 슬러리는 코팅 공정을 거칩니다. 양극과 음극 슬러리를 알루미늄, 구리 집전체(포일)에 얇게 코팅합니다. 코팅 공정이 끝나면 용매를 100℃ 이상의 오븐에서 건조하게 됩니다. 이 과정에서 배터리의 성능과 수명이 향상되는데요, 때문에 코팅된 전극에서 용매를 건조하는 과정이 반드시 필요합니다.
마지막으로 롤 프레싱 공정을 진행합니다. 압연 공정을 의미하는 롤 프레싱 공정은 롤과 롤 사이로 전극을 통과시켜 얇고 평평하게 만드는 과정입니다. 전극을 균일하게 펼쳐 밀도를 높이면, 전극 표면과 활물질이 보다 더 결합돼 배터리의 출력과 성능이 향상됩니다.
제조 효율화로 여러 장점을 확보할 수 있는 건식 공정
건식 공정은 믹싱 공정 → 고체 파우더 제조 → 고체 파우더 코팅 공정 → 롤 프레싱 공정 순으로 이뤄집니다.
특히 믹싱 공정에서 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 혼합해 고체 파우더를 만드는 것이 습식 공정과의 가장 큰 차이점입니다. 이렇게 만들어진 고체 파우더를 집전체에 코팅하는 것이죠. 건식 공정에서는 다양한 코팅 공법이 연구되고 있는데요. 파우더를 필름화한 다음 집전체에 라미네이션하는 맥스웰 방식, 파우더를 집전체에 뿌린 다음 압연하는 분체 코팅 방식 등이 있습니다. 코팅 공정이 끝나면 습식 공정과 마찬가지로 롤 프레싱 공정을 거쳐 전극이 완성됩니다.
건식 공정은 용매 없이 제조된 고체 파우더를 활용하기 때문에, 습식 공정과 다르게 건조 과정을 거치지 않습니다. 이를 통해 제조 과정 단축과 함께, 용매를 건조하고 회수하는 시스템 설비도 줄일 수 있다는 장점이 있죠. 다시 말해 건식 공정을 활용하면 생산 속도와 효율 상승, 그리고 전극 제조비용 절감이라는 이점을 확보할 수 있습니다.
또 건식 공정을 최적화하면 배터리의 에너지 밀도를 상승시킬 수 있습니다. 전극은 두껍고 밀도가 높을수록 에너지 밀도가 높아지는 특징이 있습니다. 습식 공정에서는 슬러리를 두껍게 코팅하면 용매 건조 과정에서 도전재와 바인더가 상부로 이동하는 마이그레이션(Migration) 현상이 발생하기도 합니다. 때문에 전극 두께를 늘리는 데 한계가 있죠.
그에 비해 건식 공정은 고체 파우더를 활용하기 때문에 전극을 두껍게 만드는 데 용이하고, 바인더와 도전재도 균일하게 분포시킬 수 있습니다. 이러한 특징 덕분에 양극재와 음극재 비율은 높이고, 분리막과 집전체 사용량은 줄여 에너지 밀도를 더 확보할 수 있게 됩니다.
건식 공정을 통해 기술 혁신을 선도하고 있는 LG에너지솔루션
LG에너지솔루션은 건식 공정 기술 개발 및 도입을 위해 다양한 노력을 기울이고 있습니다. 이를 통해 2024년 12월 말까지 오창 에너지플랜트에 건식 공정 파일럿(Pilot) 라인을 구축하는 것을 목표로 하고 있는데요. 여러 검증 과정을 거쳐 양산성을 확보해 2028년부터 상용화할 계획입니다.
아울러 건식 공정 관련 연구 개발 로드맵도 지속적으로 확정할 예정입니다. 다앙한 활물질의 건식 전극화를 연구하며, 전고체배터리 제조를 위한 건식 공정 개발 협업도 진행하고 있습니다.
지금까지 인포그래픽을 통해 습식 공정과 건식 공정을 살펴보았습니다. 습식 공정은 현재 배터리 업계에서 주로 활용되는 공정 방식이며, 건식 공정은 차세대 공정 기술로 주목받고 있었네요. 앞으로 기술 발전에 따라 이 두 공정이 어떻게 활용되고 발전해 나갈지 지켜봐 주세요!