[코팅] 탈수 공정 도입을 통한 고속 전극 제조 공정 기술
리튬 이온 전지의 세계 시장 규모는 빠르게 커지고 있다. 세계적인 전기차 제조회사인 테슬라의 CEO인 일론 머스크도 “리튬 이온 전지의 수요가 급증하여, 2022년에는 배터리가 심각하게 부족할 것”이라고 언급한 바 있다.
[그림 1] Elon Musk의 Twitter 2020. 09. 23.
리튬 이온 전지 시장은 수요 상승 예측과 더불어 전체 시장 규모가 64 조 (2021년)에서 142 조원 (2025년)으로 4년 사이에 시장 규모가 2배가 되는 엄청난 성장세를 보일 것으로 추정된다. 따라서 기존의 전극 제조 공정을 개선하여 전극의 생산 속도를 높이는 것은 시급한 과제이다.
[그림 2] 세계 리튬이온배터리 시장규모 및 전기차 판매량 전망 (SNE리서치, 미래에셋대우증권)
전극의 제조는 크게 슬러리 분산, 코팅, 건조의 세 가지 단위 공정을 통해 이루어진다. 이 중 생산 라인의 가장 긴 부분을 차지하는 전극 건조 단계의 경우 높은 온도의 열을 오랜 시간동안 가해야 하기 때문에 생산 비용이 높으며, 전극의 특성 구현을 위해 건조 온도의 범위도 제한된다.
본 연구에서는, 짧은 시간에 용매를 효과적으로 제거하기 위해 제지 산업에서 사용되는 감압 탈수 공법을 응용하여 기존 전극 건조 공정의 생산성을 극대화하고자 한다.
[그림 3] Model Predictive Control and Optimization for Papermaking Processes (D. Chu et al, July 2011)
감압 탈수 공정을 적용할 경우 생산속도는 최소 수백 m/min에서 최대 1,500 m/min 정도까지 증가시킬 수 있다. 이처럼 높은 생산 속도가 가능한 이유는 forming section에서의 감압 탈수 과정을 통해 슬러리 내부의 수분 함량을 90% 이상까지 제거할 수 있기 때문이다. 또한 가열 건조 공정에 비해 에너지 소모량도 적다는 장점이 있다.
본 연구에서는 다공성 기재에 전극 슬러리를 코팅한 후 감압 탈수 과정을 거치고 다공성 기재를 제거하여 전극을 건조하는 건조 공정을 제안한다.
[그림 4] 본 연구에서 제안하는 새로운 전극 제조 공정의 모식도
위와 같은 과정을 통해 실험실 단계에서, 50% 이상의 생산 속도 향상을 확인했으며 cycle performance도 기존 공정에 의한 결과와 유사함을 확인하였다. 본 기술에서 사용되는 핵심 단위 공정으로는 감압 탈수 공정과 탈수된 슬러리 패드를 전극 기재에 붙여 다공성 기재를 제거하는 공정, 그리고 건조 공정을 들 수 있으며 각 단위 공정별 공정 변수 최적화가 필요하다.
본 기술이 적용된다면 전극 생산성은 현재보다 수 배 이상 향상될 수 있을 것이다. 기술 사업화까지는 적지않은 문제점 해결 과정이 필요하겠으나 pilot 및 양산 수준의 검증까지 성공적으로 이루어질 경우 시장의 판도는 바뀔 것이다.
[관련 특허] 리튬이차전지용 전극의 제조방법 (출원번호: 1020200024951)
