[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 전극 공정 및 관련 장비 기업

 

<같이 보면 좋은 포스팅>

[2차 전지 소재] 양극재 개념과 종류, 관련기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 음극재 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 전해액 개념과 종류, 관련기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] 분리막 개념과 종류, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 소재] CNT 도전재와 차세대 바인더, 관련 기업, 시장 분석

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 제조 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성 공정 및 관련 장비 기업

[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 조립 공정 및 관련 장비 기업

 

2차 전지 제조 공정의 전체적인 개요 및 관련 장비 기업에 대해서는 위 글을 먼저 참고 부탁드립니다.

 

 

1. 2차 전지 전극 공정

 

2차전지 제조공정 프로세스 (출처 : LG에너지솔루션)

 

 

전체 공정의 30%를 차지하는 전극 공정은 2차 전지의 전극인 양극재, 음극재의 활물질을 각 전극의 집전판인 알루미늄과 동박에 도포하는 공정입니다. 전극 공정은 또다시 혼합(Mixing), 코팅(Coating), 프레싱(Pressing), 슬리팅(Slitting), 건조(Drying) 공정으로 세분화 됩니다.

코팅/건조 및 압연 공정은 롤투롤(Roll-to-Roll) 장비를 기반으로 구성되어 있습니다.
롤투롤 장비는 각 전극의 알류미늄박 및 동박을 회전롤에 감으면서 각각의 활물질을 도포하는 장비입니다.

양극재와 음극재는 서로 섞이면 안되기 때문에 제조 설비가 분리되어 있으며, 각 전극 별로 동일한 장비 2개가 한 세트로 필요합니다.

 

 

2차 전지 전극 공정 (출처 : Recycling of Lithium-Ion Batteries, Sergej Rothermel)

 

 

 

2. 첫번째 : 혼합(Mixing) 공정

 

혼합 공정은 전극 공정의 첫번째 단계로 양극/음극 각각의 가루형태 활물질에 바인더와 도전재, 용매를 섞어 슬러리 형태로 만드는 공정입니다. 바인더의 경우 Dry Mixing을 하고 도전재의 경우 Wet Mixing을 사용합니다.

 

 

혼합(Mixing) 공정의 공정도 (출처 : 티에스아이)

 

활물질은 양극/음극에서 배터리의 전극 반응을 활성화시켜주는 물질입니다.
2차전지인 리튬이온전지는 전압을 가해주는 양극에 주로 리튬 산화물이 활물질로 사용됩니다.

도전재는 양극의 활물질의 전도성을 높여주는 역할을 하며, 바인더는 양극/음극의 집전판인 알루미늄박과 동박에 활물질 및 도전재가 잘 흡착될 수 있도록 도와주는 역할을 합니다.

첨가재의 경우 에너지의 밀도 향상, 충전 속도 단축, 전지의 안정화 등을 위한 보완재로 사용됩니다.
각 혼합 재료에 사용 되는 소재는 다음과 같습니다.

 

2차 전지 혼합 공정 사용 소재 (출처 : 메리츠증권 리서치센터)

 

 

혼합공정의 경우 여러 혼합물 들이 정량의 배합으로 균일하게 섞일 수 있도록 하고 이물질이 들어가지 않도록 하는 품질 관리 기술이 중요합니다. 또한 생산성 향상을 위해 대용량, 생산 속도 향상이 혼합 공정 장비의 주요 경쟁력 입니다.

혼합 공정 관련 기업은 국내의 티에스아이와 일본의 Primix, 중국의 선도지능장비(리드차이나)가 대표적입니다.

 

 

 

3. 두번째 : 코팅 및 건조(Coating & Drying) 공정

 

코팅 및 건조 공정은 양극/음극의 집전판인 알류미늄박과 동박에 혼합 공정에서 만들어진 슬러리를 일정한 패턴 및 두께로 도포한 후 히팅 오븐에서 이용해 독성이 있는 용매를 날리는 공정입니다.

코팅 공정은 um 단위의 매우 얇은 각 극판(알류미늄박, 동박)이 손상되지 않도록 롤투롤(roll-to-roll) 장비의 제어 기술과 일정하게 코팅할 수 있는 기술이 중요합니다.

 

 

코팅 공정(양면) 시스템 (출처 : 도레이엔지니어링)

 

전체 공정의 약 18%를 차지하며 전지 설계의 대부분의 변수를 결정하는 중요한 공정입니다.
주요 변수로는 전극의 에너지 밀도를 결정하는 ▲전극 면적 및 두께, ▲활물질 사용량, ▲전극 간격,
전지 타입을 결정하는 ▲코팅 패턴 설계 등이 있습니다.

 

 

코팅 공정에 사용되는 코팅 패턴 종류 (출처 : 도레이엔지니어링)

 

건조 공정에 사용되는 히팅 오븐의 경우 내부에 네가지 챔버로 구분되어지며, 각 챔버의 역할은 다음과 같습니다.

 

• 챔버 1, 2 : 바인더의 위치 결정
• 챔버 3 : 바인더 고정
• 챔버 4 : 전극 안정

 

기존 건조 공정에는 열풍(Dry Air)을 활용해 건조를 하였으나 최근에는 대류, 복사에너지를 활용한 과열증기, 음압노즐 등의 복합 건조 방식을 사용합니다.

 

건조(Drying) 공정 시스템 (출처 : RWTH)

 

 

코팅&건조 공정 관련 주요 장비 기업으로는 국내의 씨아이에스, 피엔티가 있으며, 일본의 도레이, 히라노 테크시드, 캐논, 중국의 선도지능장비(리드차이나), 잉허과기 등이 있습니다.

롤투롤 장비를 사용하는 공정들이 까다로워 기존에는 일본 기업들이 주도하고 있었으나 국내의 피엔티가 2009년 국산화에 성공한 후 기술 격차를 꾸준히 좁혀왔고 현재 국내 기업의 시장 점유율도 50% 이상으로 확대되었습니다.

그러나 최근 테슬라가 인수한 기업 Maxwell 社의 건식 전극 코팅 기술이 상용화 되면 용매를 사용하지 않고 섬유화된 PTFE를 사용한 필름을 바로 코팅하기 때문에 용매를 제거하는 건조 공정을 생략할 수 있어 공정 간소화에 따른 비용 절감 및 생산성 향상이 기대되고 있습니다.

 

 

Maxwell 社의 건식코팅공정 공정도 (출처 : 하이투자증권)

 

 

 

4. 세번째 : 압연(Pressing, Calendaring) 공정

 

압연(프레싱) 공정은 코팅 공정에서 완료된 전극을 롤을 활용해 압력을 가해 전극의 두께를 줄이고 에너지 밀도를 높이는 공정입니다.

 

 

압연(Pressing, Calendaring) 공정 공정도 (출처 : RWTH)

 

 

압력을 통해 전극의 두께를 줄여 밀도를 높이면 전극의 활물질과 각 극판의 결착력이 증대되고, 조직화되어 이온의 이동성이 증가하게 되어 에너지 밀도가 증가됩니다.

양극재의 경우 주로 열간 가압을, 음극재는 상온 가압을 진행합니다.

 

 

압연 공정에 따른 전극 내부 결정 및 이온 간격 변화 도식도 (출처 : 메리츠증권 리서치센터)

 

 

전극 공정 중 가장 높은 기술력이 필요한 공정으로 롤투롤 장비의 적절하고 균일한 압력 유지가 필수적입니다.
만약 압력이 너무 강하면 얇은 극판 손상으로 인해 불량이 발생하거나, 활물질 결정이 부서져 배터리의 수명이 저하될 수 있고 전지 팽창, 폭발 등의 원인이 될 수 있습니다.

또한 과도한 압력으로 결정 내부 공간이 감소되어 전해액 주입 함량이 줄어들고, 전해액 침투가 어려워져 배터리의 수명 저하를 야기합니다.

관련 주요 장비 기업으로는 국내의 씨아이에스, 피엔티가 있으며, 일본의 도레이, 히라노 테크시드, 캐논, 중국의 선도지능장비(리드차이나), 잉허과기 등이 있습니다.

 

 

 

5. 네번째 : 절단 및 진공 건조 (Slitting & Vacuum Drying) 공정

 

절단 공정은 전극의 폭 사이즈를 규격에 맞게 자르는 공정으로 사이즈 변경에 따라 칼날이 교체되고, 이때 불량률을 줄이는 것이 중요합니다.

진공 건조 공정은 절단된 전극을 건조시켜 남아있는 수분을 제거하는 공정입니다.

 

 

절단 공정 및 진공 건조 공정 (출처 : RWTH)

 

 

관련 장비 기업으로 국내의 피엔티와 씨아이에스가 있습니다.

[2차 전지 제조 공정] 씨아이에스 기업 분석 (전극 공정 관련 기업)