[2차전지] 배터리 가격과 건식 전극 공정 빠르게 알아보기

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정원석_배터리 공정 지각변동(feat. 마법의 가루)

1. 삼원계 배터리 원재료 가격 상승세

통상적으로 양극재 판가는 주요 원재료(니켈, 리튬, 코발트, 망간 등) 가격 변화에, 전기차 배터리 셀 판가는 양극재 가격 변화에 연동되어 결정되는 구조이다. 따라서 원재료 가격 상승 부담은 양극재, 배터리 셀 제조사가 아닌 완성차 OEM 업체로 전가된다. 
이때, 발생할 수 있는 우려는 어떤 게 있을까?
- 완성차 OEM 업체들이 수익성을 감내하면서까지 원재료 가격 상승 부담을 온전히 받아주느냐의 여부
: 완성차 OEM  업체들이 배터리 셀, 소재 제조사들에게 고통 분담을 요구할 가능성도 배제할 수 없기 때문
- 원재료 가격 상승으로 인한 전기차 생산 비용 증가는 전기차 판매 가격 인상을 야기해 시장 수요에 변수로 작용
: 전기차 가격이 인상될 경우 소비자들의 부담이 커져 구매를 하더라도 배터리 탑재 용량을 낮춰 선택할 가능성이 높음. 따라서 배터리 수요 측면에서 긍정적이지 않은 상황
 

 
배터리 가격을 낮추는 방법으로는
1. 소재비 절감, 제조 공정 생산성 향상 등을 통해 제조원가를 낮추는 것
2. 새로운 소재 개발로 에너지밀도를 높여 용량당 판가를 낮추는 것
이 있다. 다만 핵심 원재료 가격은 타이트한 수급 영향으로 상승세가 이어지고 있으며,  리튬이온 배터리 산업이 20여 년간 점진적으로 발전해 왔다는 점을 고려할 때 당장 기존 생산 공정을 개선시키기 어렵기 때문에 절대적인 비용을 낮추는 것은 상당히 제한적인 상황이다.
따라서, 전세계 배터리 셀 업체들은 에너지밀도를 높여 배터리 가격을 낮추는 ‘소재 혁신’에 집중하고 있다.
 
다만, 삼원계 양극재에서 에너지밀도를 결정하는 니켈은 98% 함량이 기술적 최대치라는 점을 감안할 때 리튬, 니켈, 코발트, 망간 등 핵심 원재료 가격이 크게 낮아지지 않는다면 에너지밀도 향상으로 NCM/NCA  배터리 셀 가격을 낮추는 데에는 한계가 있다. 따라서, 공정 개선을 통해 제조원가를 낮춰 배터리 가격을 추가적으로 낮춰야 한다.
 
 

2. 이제는 공정 혁신이다

테슬라는 배터리 가격을 절반으로 낮추는 방법으로 ① 배터리 셀 대형화 및 공정 개선, ② 건식 전극 및 고속 연속 생산 공정 도입, ③ 실리콘 음극활물질 적용, ④ 양극활물질에서의 하이-니켈 적용 및 공정 간소화, ⑤ Cell-Vehicle Integration을 언급하였다.
① 배터리 셀 대형화 및 공정 개선
현재 사용 중인 2170(직경 21mm, 길이 70mm) 원통형 배터리를 4680(직경 46mm, 길이 80mm)으로 크기를 키워 배터리 셀당 에너지밀도를 높이고 생산성을 더욱 최적화
② 건식 전극 및 고속 연속 생산 공정 도입
새로운 4680 배터리에는 건식 전극 및 고속 연속 생산 공정이 도입할 계획. 기존 습식 공정에서의 용매 휘발 공정이 필요 없기 때문에 원재료 비용 감소 및 공정 간소화, 추가적인 에너지밀도 향상이 가능
③ 실리콘 음극활물질 적용
충전시간과 에너지밀도 개선 기대
④ 양극활물질에서의 하이-니켈 적용 및 공정 간소화
Medium  range 에서는 LFP(Iron-Based), Medium-Plus  및 Intermediate range에서는 니켈-망간, Long range에서는 하이-니켈을 적용할 계획
⑤ Cell-Vehicle Integration
모듈과 팩을 생략해 배터리 셀을 기존 대비 더 밀도 있게 차체에 채워 넣음으로써 추가적인 에너지밀도 개선
 
 

3. 건식 전극 공정이란?

건식 전극 공정은 에너지밀도 및 출력 저하 등 기술적 난제로 양산 적용이 쉽지 않다고 여겨져 왔다. 
현재 모든 배터리 셀 업체들이 사용 중인 습식 공정에서 양극재/음극재 박막 코팅과 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. 반면 건식 전극 공정은 용매를 휘발시키는 공정이 필요 없기 때문에 공정 간소화에 따른 비용 절감 및 생산 시간 단축의 효과를 누릴 수 있다.
뿐만 아니라, 초기 충방전 효율(ICE) 보존에 따른 에너지밀도 개선도 또다른 장점이다. 건식이기 때문에 용매가 필요 없어 리튬메탈 및 리튬이 첨가된 흑연을 사용할 수 있기 때문이다. 
 

 
그러나 문제는 양극이다. 업계에 따르면 리튬이온 배터리에 건식 전극 공정 적용시 습식 전극 공정 대비 에너지밀도와 출력이 떨어진다고 알려져 있다. 그 원인은 아직까지 명확하게 밝혀진 바는 없지만 양극재 조성에 기술적 난제가 있었을 것으로 추측해 볼 수 있다. 
건식 공정시의 양극재는 절연체인 PTFE 바인더가 양극활물질을 모두 감싸는 형태로 코팅되어 결합력은 좋지만 양극활물질 전기저항과 양극활물질과 도전재 간 계면저항이 크게 높아져 전자이동을 방해하기 때문에 습식 전극 공정 대비 에너지밀도와 출력이 낮아지는 것으로 추측된다.
이를 해결하기 위해서는 양극활물질의 전기저항과 입자간 계면저항을 낮춰야 하는데, 테슬라 포함 4680 배터리 셀 생산 업체들은 Single-walled CNT를 건식 전극 공정에 활용할 것으로 보인다. 이때 중요한 것은 양극활물질에 Single-walled CNT를 코팅하는 기술과 코팅하기 위해 Single-walled  CNT를 얼마나 고농도로 용매에 분산하느냐가 핵심이다.
→ 따라서, 건식 전극 공정을 위한 양극활물질 CNT 코팅 사업은 향후 수요가 크게 증가할 양극재/음극재용 CNT 도전재과 함께 나노 신소재의 또 다른 성장 동력이 될 전망이다.  
 

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2차전지_200708_3가지 마법의 가루(첨가제).pdf

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