전기차 배터리 건식 전극공정

 

전기차 배터리의 건식 전극 공정에 대해 알아보려고 합니다. 먼저 아래 3가지 주제에 대해 알아보려고 합니다.

1) 건식 전극공정의 가장 큰 장점은 공정 간소화에 따른 비용절감
2) 습식공정중 양극재/음극재 박막 코팅, 건조 공정은 제조공정 비용중 약20% 차지
3) 건식공정의 또다른 장점은 에너지밀도의 개선

건식 전극공정, 공정간소화에 따른 비용절감

Maxwell의 건식 전극 재료 생산을 위해서는 양극/음극활물질에 피브릴화(물리적, 화학적 고해 작용을 통해 섬유를 가지 상태로 나누는 것)된 고분자 물질인 PTFE (Polytetrafluoroethylene, 흔히 테프론으로 불리며 내약품성 및 내열성이 뛰어남) 바인더와 도전재 등을 섞는다.
이를 100~200°C 온도에서 롤프레스(Roll press) 공정을 거치면 양극/음극 활물질을 포함한 필름이 생산되는데, 이를 알루미늄박/동박 등 전극박에 합판한 이후 분리막을 코팅해 배터리 셀의 형태로 만든다

기존에 리튬이온 배터리에서 사용 중인 습식 공정에서는 주로 양극은 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 유기용매를, 음극은 수계 용매를 사용해 양극/음극활물질과 바인더 및 도전재를 슬러리 형태로 만들어 전극 재료를 생산한다.

이를 마찬가지로 알루미늄박/동박 등 전극박에 잘 펴바른 다음 용매를 휘발시키는 방법을 통해 코팅 공정을 마무리한다.
여기서 사용되었던 용매는 유독성이 있기 때문에 포집된 이후 재처리 공정을 거쳐 재사용된다 (<그림 22>참조).

테슬라 반값 배터리 생산 5가지 방법

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전기차 배터리 습식공정중 양극재/음극재 박막 코팅, 건조 공정은 제조공정 비용중 약20%차지

현재모든배터리셀업체들이사용중인습식공정에서양극재/음극재박막코팅 과 건조 공정은 원재료비를 제외한 제조공정 비용에서 약 20%를 차지하며, 수십 미터의 열처리 공정을 장시간(12~24 시간) 거쳐야 하기 때문에 가장 높은 전력량(전체의 약 47%)을 소비하며 생산성을 떨어뜨린다

양극재에 사용되는 유기용매인 NMP 의 끓는점이 202°C로 높다는 점이 주요 원인이다.
반면 건식 전극 공정은 용매를 휘발시키는 공정이 필요 없기 때문에 공정 간소화에 따른 비용 절감 및 생산 시간 단축의 효과를 누릴 수 있다.
Maxwell 도 건식 전극 공정 적용 시 솔벤트(용매) 프리 공정을 통해 생산성을 크게 높일 수 있어 원가 절감 효과가 극대화된다고 언급하고 있다.
Tesla 가 해당 기술을 배터리 양산에 적용할 경우 지금의 배터리 가격이 내연기관차와의 Price Parity 로 알려진 $100/kWh 밑으로 떨어질 가능성이 한층 높아지게 된다.

 

 

광물 투자 전기차 배터리 수요 증가에 따른 워렌 버핏의 광물 투자

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전기차 건식공정의 또다른 장점은 에너지밀도의 개선

건식 전극 공정의 두 번째 장점은 초기 충방전 효율(ICE) 보존에 따른 에너지밀도 개선이다.
리튬이온 배터리는 초기 생산 시에 방전된 상태이며 대부분의 리튬이 양극재에 포함되어 있다(전해액에도 소량의 리튬이 첨가되나 양극재 대비 소량이다).
이후 처음으로 충전되는 과정에서 리튬이온이 음극으로 이동하게 되어 음극과 전해질 및 리튬이온이 반응하며 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층이 형성된다.
SEI 층은 전자의 이동을 막아 전해액이 음극의 전자와 반응하지 못하도록 하며, 리튬이온만 통과시킴으로서 리튬 배터리 동작의 핵심적인 역할을 한다.