2차전지 양극재 제조순서

전기차 배터리 소재 중 주요한 소재인 양극재! 양극재는 전기차 배터리 생산비에서 약 40%를 차지하며 주행 거리, 충전 및 방전 등의 성능을 결정하는 핵심 소재입니다. LG화학은 이런 양극재의 경쟁력을 위해 연간 1만 톤의 양극재 생산 라인을 구축하고 2022년 하반기부터 본격적으로 양산을 시작합니다. LG화학은 세계 최초로 생산 라인당 연간 1만 톤의 생산 능력을 갖추었는데요. 양극재를 생산하는 주요 업체들의 경우 보통 단일 생산 능력이 약 3,000~5,000톤이기에 이는 거의 두 배에 가까운 수준입니다. 오늘은 LG화학이 생산 중인 양극재에 대해 자세히 살펴보고 생산 라인 연간 1만 톤을 구축하여 얻게 되는 효과에 대해 알아보겠습니다.

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배터리의 용량과 수명을 결정하는 핵심 소재, 양극재

리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질로 구성됐는데요. 이 중에서 양극재는 리튬이온소스로 배터리의 용량과 평균 전압을 결정합니다. 양극재는 양극을 이루며 배터리의 특성을 결정하는 중요 요소입니다. 어떤 *양극 활물질을 사용했느냐에 따라 배터리의 용량과 전압이 결정되기 때문인데요. 에너지 밀도를 끌어올리기 위해서 양극 활물질의 에너지 밀도를 최대로 높여야 합니다. 양극 활물질로는 Ni(니켈), Mn(망간), Co(코발트), Al(알루미늄) 등을 꼽을 수 있으며 여기서 니켈은 고용량 특성, 망간과 코발트는 안전성, 알루미늄은 출력특성을 향상시키는 역할을 합니다. 양극재는 이 물질을 적당한 비율로 섞어 만드는데 주로 NCM(리튬, 산소, 니켈, 코발트, 망간), NCA(리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 산소) 두 종류의 양극재가 시장을 주도하고 있습니다.

*양극활물질: 리튬산화물처럼 양극에서 배터리 전극 반응에 관여하는 물질

양극재 종류별 구조와 특성

양극재의 종류에 따라 전지의 전압에도 영향을 미치게 됩니다. 전지의 전압은 양극과 음극의 전위차(전기장 안의 두 점 사이의 전위의 차)에 의해 결정되는데요. 먼저, 양극재는 금속염의 구성 성분에 따라 LCO, NCM, NCA, LMO, LFP 등으로 구분되며 구조에 따라 층상 구조, 스피넬 구조, 올리빈 구조 크게 3가지로 구분할 수 있습니다.

넓고 평평한 층간 사이에 많은 양의 리튬이온을 보관할 수 있는 *층상구조는 LCO, NCM, NCA 삼원합금(세 가지 원소를 주요 성분으로 하는 합금) 물질이 대표적입니다. 먼저, 양극재 기본형인 LCO(리튬, 코발트, 산소)는 주로 스마트폰, 노트북 배터리 등 소형 IT 제품 위주로 사용됩니다. 수명은 길지만 NCM 및 NCA보다는 에너지 밀도가 낮아 자동차 배터리로는 거의 쓰이지 않습니다.

NCM은 LCO에 니켈과 망간을 추가한 양극재인데요. LCO 내 코발트 비중을 쪼개서 니켈, 코발트, 망간 등 재구성한 양극재입니다. 최근 니켈 함량을 높여 에너지 효율성이 좋은 NCM811(니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%) 모델이 이슈가 되면서 주목받고 있습니다. NCA는 리튬, 니켈, 코발트, 알루미늄, 산소로 구성된 양극재인데요. 에너지 밀도가 높지만 안전성이 낮아 소형 배터리에 주로 쓰입니다.

산화물 구조에서 흔히 볼 수 있는 *스피넬 구조를 갖는 LMO는 코발트 대신 망간을 사용해 가격이 낮고, 격자 구조가 입체적 형태를 가져 안정성이 우수합니다. 반면 에너지 용량 작고 수명이 짧습니다. LFP로 대표되는 *올리빈 구조는 육면체 형태로 되어 안정성이 높고 충방전에 의한 성능 저하가 적으며 열에 대한 안정성도 우수합니다. 또한 높은 가격인 코발트 금속 대신 저렴한 철을 사용하기 때문에 경제적입니다. 하지만 에너지 밀도가 다른 양극재에 비해 낮고 전기 전도도 및 리튬이온의 확산성이 낮습니다.

*층상 구조: LiMO2(M : Ni, Co, Mn 등)의 구조로, 가장 직관적인 구조
*스피넬 구조 : 아연 스피넬(gahnite)로도 불리는 첨정석(spinel, MgAl2O4)의 이름을 따서 명명된 구조
*올리빈 구조: 크리스탈 형태의 육면체들이 서로 유기적으로 연결된 격자 구조

양극재 제조 공정 순서

양극재의 제조 공정 순서는 전처리 공정, 1차 소성, 후처리 공정, 2차 소성으로 이어지는데요. 첫 번째 순서인 전처리 공정부터 살펴보겠습니다. 전처리 공정은 원재료인 *전구체와 리튬, 구조의 안전성을 위해 첨가제를 계량하여 믹서기로 혼합하는 과정입니다. 전처리 공정에서 나온 혼합품은 산화작용으로 리튬금속산화물과 합성하기 위해 소성로(약 700~900℃ 정도의 온도)에서 1차 소성을 진행합니다.

1차 소성에서 나온 혼합물을 1차 분쇄, 2차 분쇄 과정으로 크랙(Crack) 형태 즉, 원하는 크기의 분말로 만든 후 불순물을 제거하기 위해 체질, 탈철(철을 제거해 니켈의 순도를 높이는 공정) 과정을 합니다. 이를 후처리 공정이라 합니다. 후처리 공정을 마친 반제품은 표면 안전성을 위해 코팅 재료와 혼합하고 이후 약 300~400℃ 정도의 온도로 2차 소성을 거칩니다. 이후 체질을 하여 최종 완제품이 만들어집니다.

*전구체 : 어떤 화학반응을 통해 A라는 물질을 만들 때, 최종 물질인 A가 되기 바로 이전 단계의 물질, 배터리에서 전구체는 양극재의 원료가 되는 물질을 뜻한다

세계 최초 연간 1만 톤 배터리 양극재 생산라인 구축

LG화학은 청주 4공장에 세계 최초로 라인당 연간 1만 톤 생산이 가능하도록 독자 설비를 구축하였습니다. 현재는 시험 생산 중인데요.
2022년 하반기부터 본격적으로 가동될 예정입니다. 이 신규 라인은 경쟁사와 라인 크기가 같지만 시간당 생산량은 2배 이상 많습니다. 추후 2개 신규 라인을 더 추가하여 현재 8만 톤 수준 생산능력을 2026년까지 연간 26만 톤으로 확대할 계획입니다. 또 가격 변동성이 큰 코발트를 사용하지 않는 코발트 프리(free) 기술 및 차세대 전고체 배터리용 단결정 양극재를 개발 중입니다.

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한편, LG화학은 2025년까지 구미시 국가산업 5단지 내 6만여㎡ 부지에 약 5천억 원을 투자해 세계 최대 규모의 양극재 공장 건설할 계획인데요. 구미공장에는 LG화학이 집중적으로 육성하고 있는 차세대 전기차 배터리용 NCMA(니켈, 코발트, 망간, 알루미늄) 양극재 전용 라인이 구축될 예정입니다. 기술과 설비를 적극적으로 투자해 세계 전기차 배터리 소재 시장을 준비하는 LG화학. 지역 사회와 함께 성장까지 생각하는 LG화학의 행보에 많은 응원을 부탁 드립니다.