[2차전지] 건식 전극 Dry Electrode

건식 전극 기술은, 테슬라가 멕스웰 인수 등 관련 영상을 공개하면서 원가를 낮추는 기술, 친환경기술로 배터리데이에서 소개하였다.(인수한 멕스웰은 다시 매각했지만, 테슬라와 관련성은 여전해 보인다.) 

또 다른 건식 전극 기술을 추구하는 기업은 LG화학, LG에너지솔루션이다. LG에너지 솔루션이 미래 추구하는 기술은 하이티켈, 리튬리치, 코발트 프리, 건식전극이다. 

 

 

테슬라에 의해 소개되었지만 건식 공정은 이전에도 많이 사용되었고 특히 슈퍼캐패시터에 많이 사용되던 기술이다. 

 

건식 전극 공정은 습식 공정 대비 많은 장점이 있다. 

 

1. 건식이라 - 솔벤트가 필요없다. 바인더에 의해 간단히 만들 수 있다. 

2. 두께를 압연을 통해 더 얇게 만들 수 있다. 

3. 에너지 밀도를 높이는데 유리하다. -. 하이니켈, 전고체 배터리, 리튬화 기술에 유리하다. 

4. 코팅 시스템이 간단해지게 되어 배터리를 생산하는 비용을 20% 까지 절감할 수 있다. 

5. 친환경적이다. 

 

건식 전극을 만드는 방법은 여러가지가 있겠지만, 양극재 파우더를 PTFE(불소수지 바인더)로 믹싱을 하게 된다. 

바인더의 종류도 여러가지가 있지만 여기에서는 마하 2 정도의 고속 필라멘트를 만드는 화이바를 만드는 아래와 같은 형태 - 고속으로 믹싱을 해서 100nm 직경의 화이바를 만들게 된다. 

화이바 상에 양극재가 붙어 있는 상태는 분리막과 비슷한 형태가 된다. 

화이바를 만들고 난 이후, 열을 가하고 아래 위로 눌러 최종적으로 30~300nm 두께의 전극 시트를 만들게 된다. 

방식은 여러가지가 있을 수 있겠지만, 여기에서 특별한 기술들은 바인더, 화이바를 만드는 기술, 열을 가하는 롤프레스 기술이 필요한 것으로 보인다. 

 

설비의 측면에서 보면

전극을 열로 눌러서 필름에 붙이는 과정->미세한 압력을 가하는 과정->최종적으로 필름이 만들어진다.

비교적 간단하지만, 미세한 공정, 재료가 필요하다. 

 

기존 제조 프로세스와 비교해 보면 믹싱 코팅 이후 칼렌더링 공정이 간단하게 되든지, 추가의 공정이 들어가야한다. 

 

기존 공정은 코딩이후 롤프레스 공정을 거치게 되는데 특히 롤프레스 공정이 많이 변화되어야 할 것으로 보인다. 

 

https://www.theguru.co.kr/news/article.html?no=20445 

GM, 배터리 전략 발표…LG엔솔 역할 커지나

LG에너지솔루션은 GM과 합작사 얼티엄 셀즈를 통해 NCMA배터리를 개발하고 건식 공정도 연구 중이다. -건식 공정을 통해 에너지 용량을 50%이상 증대시키고 건조 공정을 제거하여 원가 경쟁력을 확보하고자 한다. 

 

http://m.ddaily.co.kr/m/m_article/?no=235523 

LG엔솔, 전고체 배터리 '투트랙'…2026년 고분자계 '먼저'

LG에너지솔루션은 2가지 종류의 전고체 배터리를 준비 중이다. 고체 전해질 종류에 따라 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계 등 3가지로 나뉜다.
이중 고분자계는 액체 전해질과 비슷한 구조다. 기존 생산설비를 활용할 수 있고 상대적으로 공정이 단순하다는 장점이 있다. 문제는 이온전도성이 낮다는 점이다. LG에너지솔루션은 우선 고분자계 전고체 배터리를 2026년 출시한 뒤 2030년 황화물계로 전환할 방침이다.
황화물계는 3가지 중 기술적 특성이 가장 우수한 것으로 전해진다. 높은 이온전도, 양산 적합성 등이 강점이다. 다만 기술장벽, 단가 등이 상용화의 장애물이다.

 

https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=03749046632264632&mediaCodeNo=257 

LG엔솔, 차세대 기술 '전고체 배터리' 2026년부터 상용화

LG에너지솔루션은 현재 △고분자 전해질과 액체 전해질을 혼합한 젤라이트 형태 △액체 전해질 양을 최소화한 반고체 형태 △액체 전해질을 대신한 무기계 전고체 소재와의 하이브리드 형태 등을 통해 이온 전해 안정성을 확보하는 연구를 하고 있다. 

황화물계는 수분과 반응해서 황화수소 가스 생성되는 문제가 있어 내수분성을 높이는 기술 개발이 필요하다.  기존의 습식 공정으로는 제조하기 어려워 건식공정 개발이 이뤄져야 한다." 

 

프라운 호퍼 연구소의 배터리 기술도 테슬라와 관계가 있다. 

https://www.theguru.co.kr/mobile/article.html?no=25248 

프라운호퍼 연구소 배터리 신기술 개발…테슬라 배터리 혁신 단초

프라운호퍼 물질 및 빔기술연구소(IWS)는 건식 코팅 공정 구현이 가능한 장비 '드라이트레이스(DRYtrace)'를 개발했다고 지난 5일(현지시간) 밝혔다. 테슬라의 협력사인 독일 사우어레식 엔지니어링(Saueressig Engineering)가 연구 초기 단계부터 참여했다. 

드라이트레이스는 배터리 생산 과정에서 기존 액체 화학 물질 대신 건조 필름으로 전극을 코팅하는 장비다. 빠르게 대규모 양산이 가능하고 비용을 절감할 수 있는 것이 장점이다. 습식 공정은 추후 건조하기 위해 긴 건조 트랙이 필요, 장비가 차지하는 공간이 컸다. 하지만 건식 공정은 해당 설비가 필요없어 효율적인 제조 시설 공간 활용이 가능하다.

리튬이온 배터리는 물론 리튬황, 나트륨이온 전지에도 사용할 수 있는 것이 특징이다. 전고체 배터리에서도 적용 가능할 것으로 연구소는 기대하고 있다. 특히 전고체 배터리는 습식 화학 프로세스에 적합하지 않아 건식 공정이 더욱 이상적일 것이라는 설명이다. 

 

습식 공정은 용매 건조로 인해 1kg당 42kg의 이산화탄소가 발생하여 친환경 제조를 위한 공정 혁신이 필요하다. 

 

기존의 습식 전극 제조를 제조 할 때 건조 공정에서 용매와 소재층 분리 현상으로 인해 약 100 마이크로 미터 이상의 두께로 전극을 코딩할 수 없다. - 이것은 현재 배터리 에너지 밀도가 250w 이상으로 향상되는 것을 가로막는 기술적인 문제로 작용한다. 

 

이번에 우리나라에서 개발될 기술은 탄소배출이 전혀 없는 무용매 반축형태의 컴파운드를 만들어 기존보다 에너지밀도가 약 60% 증가한 400와트급의 리튬이온 배터리를 구현할 수 있다. 두꺼운 전극을 실증 수준으로 제조할 수 있는 소재인 도전재, 바인더, 음극재와 연속식 장비, 믹서, 코터, 프레스의 통합 솔루션을 개발하고자 한다. 

건식 전극의 기본 소재로는 전하전달을 극대화할 수 있는 탄소 나노 튜브 건식 도전재, 용매를 사용하지 않고 분산이 가능한 무용제 바인더, 건식 공정에 최적화된 실리콘계 복합활물질을 개발할 계획이다. 

전극을 구현하는 설비 공정은 건식 컴파운드 믹싱, 전사코팅 3차원 프레싱을 연속식 공정으로 통합 개발함으로써 생산 효율성을 극대화할 예정이다. 

 

 

https://youtu.be/JN7pZPq6vZw