건식 전극 공정과 습식 전극 공정
리튬이온 배터리는 전기차와 에너지 저장 시스템을 포함한 다양한 첨단 기술의 중심에 있스며 전극 제조 방식은 배터리 성능을 좌우하는 주요 요소 중 하나로 현재 사용되는 전극 제조 방식은 크게 건식 전극 공정과 습식 전극 공정으로 나뉩니다. 이 두 가지 공정 방식은 배터리의 에너지 밀도, 수명, 비용, 그리고 환경에 미치는 영향에 있어 상당한 차이를 보입니다.
1. 건식 전극 공정(Dry Electrode Process)
건식 전극 공정은 최근 배터리 산업에서 주목받고 있는 혁신적인 기술로, 전극 슬러리에서 사용되는 액체 바인더나 용매를 사용하지 않는 방식입니다. 이 공정은 아래와 같은 특징을 가집니다.
과정
건식 전극 공정에서는 분말 형태의 활성 물질과 바인더, 전도성 첨가제를 고온에서 혼합하여 고체 상태의 필름을 형성합니다. 이 필름은 전극 집전체에 직접 롤 프레싱하여 밀착되며, 이로 인해 습식 공정에서 필요한 건조 및 용매 재활용 과정이 생략됩니다.
장점
건식 공정은 용매 사용이 없어 환경적으로 친화적입니다. 또한 건조 시간을 줄이기 때문에 제조 시간과 비용을 크게 절감할 수 있으며, 공정 효율성이 높습니다.
단점
현재 기술적 제약으로 인해 균일한 필름 두께를 유지하는 데 어려움이 있을 수 있으며, 전극 내 활성 물질 분포의 불균일함이 배터리 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 습식 전극 공정(Wet Electrode Process)
습식 전극 공정은 현재 상용화된 리튬이온 배터리 제조에 가장 많이 사용되는 전통적인 공정입니다. 이 공정에서는 전극 슬러리를 형성하기 위해 용매와 바인더를 혼합하여 전극을 제작합니다.
과정
습식 공정에서는 활성 물질, 바인더, 전도성 첨가제를 용매에 섞어 슬러리를 만든 후, 이를 금속 집전체 위에 코팅합니다. 코팅된 전극은 이후 오븐에서 건조하여 용매를 제거한 후 최종 형태의 전극을 만듭니다.
장점
습식 공정은 오랜 기간 사용되어 온 기술로서 안정적이고 균일한 코팅을 구현할 수 있어 배터리의 성능이 일정합니다. 또한, 다양한 배터리 재료에 적용 가능하며, 고에너지 밀도의 전극을 제작하는 데 효과적입니다.
단점
용매 사용으로 인해 대규모 건조 설비와 에너지가 필요하며, 공정 비용이 높고 환경에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한, 용매 재활용이 필수적이므로 복잡한 처리 과정이 필요합니다.
3. 배터리 성능에 미치는 영향
에너지 밀도
건식 전극 공정은 기존의 습식 공정보다 더 높은 에너지 밀도를 구현할 가능성이 있는데 이유는 전극의 두께를 늘리면서도 전극 내 불필요한 용매나 바인더를 최소화할 수 있기 때문입니다. 더 많은 활성 물질을 전극에 담을 수 있기 때문에 에너지 저장 능력이 증가할 수 있습니다.
반면 습식 공정은 현재 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 제조에 있어서 검증된 공정이지만, 건조 과정에서 필연적으로 발생하는 잔여 용매나 바인더가 전극 성능에 일부 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 습식 공정은 일정 수준 이상의 두께로 전극을 제작하는 데 한계가 있습니다.
배터리 수명
습식 공정은 오랜 시간 상용화되면서 안정적인 수명을 보장하는데 전극 내 바인더와 첨가제가 균일하게 분포되며, 배터리의 충·방전 사이클 동안 전극이 잘 유지되기 때문에 수명 연장에 유리합니다.
건식 전극 공정은 기술적으로 균일한 전극을 제작하는 데 어려움이 있어, 전극 내에서의 물질 분포가 고르지 않다면 배터리 수명에 악영향을 미칠 수 있습니다. 그러나, 새로운 건식 기술이 발전함에 따라 수명 문제를 해결할 가능성도 열려 있습니다.
충전 속도
건식 전극 공정은 기존보다 빠른 충전 속도를 구현할 수 있는데 이는 전극 내 전도성 네트워크가 더 잘 형성되어 이온과 전자가 빠르게 이동할 수 있기 때문입니다. 특히, 전고체 배터리와 같은 차세대 배터리 기술에 건식 공정이 적용되면 급속 충전에 유리할 수 있습니다.
습식 공정은 안정적인 충전 성능을 제공하지만, 전극 내 바인더와 잔여 용매가 이온의 이동을 약간 방해할 수 있어 충전 속도에서 건식 공정에 비해 약간 뒤처질 수 있습니다.
제조 비용 및 환경 영향
건식 전극 공정은 비용 절감에 있어서 탁월한데 건조 및 용매 재활용 과정이 필요 없기 때문에 제조 시간과 에너지를 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 용매를 사용하지 않기 때문에 환경적으로 친화적이며, 제조 공정에서 발생하는 폐기물이나 오염물질이 적습니다.
반면 습식 전극 공정은 대규모 건조 설비가 필요하고, 용매 사용으로 인해 공정 비용이 높습니다. 특히, 용매 처리 및 재활용에 많은 에너지와 비용이 투입되기 때문에, 환경에 미치는 영향도 상당히 큽니다. 그러나 습식 공정은 이미 널리 사용되고 있어 공정 효율성을 개선하는 연구가 지속되고 있습니다.
4. 주요 적용 분야 및 미래 전망
건식 전극 공정은 특히 차세대 배터리에 적합한 공정으로 전고체 배터리와 같은 고에너지 밀도, 고안전성 배터리에 적용될 가능성이 높으며, 전기차와 같은 고성능 배터리 분야에서 큰 기대를 받고 있습니다. 테슬라(Tesla)는 이미 이 건식 전극 기술을 자사 배터리에 도입하기 위한 연구를 진행 중 이며 LG에어지 솔류션의 경우 2027년 양산을 목표로 공정을 추진하고 있습니다.
습식 전극 공정은 현재 리튬이온 배터리 제조에서 표준으로 사용되며, 그 안정성과 균일한 성능으로 인해 여러 산업 분야에서 계속해서 사용될 것입니다. 특히, 스마트폰, 노트북, 에너지 저장 시스템과 같은 상업화된 리튬이온 배터리 제품에 주로 사용될 것입니다.
결론
건식 전극 공정과 습식 전극 공정은 각기 다른 장점과 단점을 가지고 있으며, 배터리 성능에 미치는 영향도 차이가 있습니다. 건식 공정은 비용 절감과 환경 친화적인 특성으로 미래의 배터리 제조 공정에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 특히 차세대 배터리 기술에 적합합니다. 습식 공정은 이미 검증된 안정성과 균일한 성능을 바탕으로 현재 배터리 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 앞으로 두 공정이 배터리 시장에서 상호보완적인 역할을 할 것으로 예상되며, 기술적 발전에 따라 다양한 분야에서 각각의 공정이 더욱 널리 활용될 것입니다.