건식 전극 공정: 고성능 고체 배터리 대량 생산의 핵심

전고체 배터리에서는 액체 전해질 대신 고체 전해질 막이 사용됩니다. 따라서 전처리 공정에서는 기존의 양극 및 음극 전극 시트 외에도 이 고체 전해질 막을 제조해야 합니다. 이 공정은 배터리 제조 워크플로우에서 매우 중요한 단계로, 최종 셀의 성능과 품질을 직접적으로 좌우합니다. 현재 전고체 배터리 생산 라인에서는 습식 공정이 주를 이루지만, 비용, 공정 효율성 및 재료 호환성 측면에서 여러 장점을 가진 건식 공정이 차세대 전고체 배터리 전처리 기술의 주류로 점차 자리 잡고 있습니다.

01. 고체 배터리 사전 성형 생산의 주요 개선 사항

전고체 배터리의 제조 공정은 기존 액체 전해질 배터리와 근본적으로 다릅니다. 전처리 단계인 전해질 막 제작은 배터리 제조 공정에서 매우 중요한 전환 단계입니다. 이 단계는 완성된 배터리 셀의 에너지 밀도, 충방전 속도 성능 및 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 전고체 배터리에서는 액체 전해질 대신 고체 전해질 막이 사용됩니다. 따라서 전처리 단계에서는 기존의 양극 및 음극 전극 시트뿐만 아니라 고체 전해질 막도 제작해야 합니다. 이러한 근본적인 변화는 새로운 과제를 제시하는 동시에 공정 개선의 기회를 제공합니다.

02. 기술적 변혁: 습식 공정에서 건식 공정으로의 도약

현재 고체 배터리 전처리 공정은 크게 습식과 건식 두 가지 기술 방식으로 분류됩니다. 습식 공정은 여전히 기존 액체 배터리의 용매 시스템에 의존하며, 전극 또는 전해질 재료를 바인더와 혼합하여 슬러리를 만들고, 코팅한 후 건조시켜 필름을 형성합니다.

이 공정은 비교적 성숙 단계에 있지만, 다음과 같은 본질적인 단점이 있습니다. 즉, NMP와 같은 독성 유기 용매를 다량 사용해야 하고, 건조 및 용매 회수를 위해 많은 에너지를 소비하는 공정이 필요하며, 용매에 민감한 특정 첨단 소재의 적용을 제한합니다.

이와 대조적으로, 건식 공정은 용매 사용 및 후속 건조 단계를 제거함으로써 전극 제조 방식을 혁신합니다. 건식 공정은 균일한 재료 분산 및 예비 성형을 위해 고전단 건식 혼합 및 섬유화 장비에 크게 의존하며, 이후 다롤 프레스를 통해 필름 형성을 직접 완료합니다.

건식 필름 형성 기술의 핵심적인 장점은 세 가지 측면에서 분명하게 드러납니다.

• 비용 효율성: 코팅, 건조 및 용매 회수 단계를 생략함으로써 장비 투자 비용이 절감되고 에너지 소비가 줄어들어 전체 셀 제조 비용을 약 18% 절감할 수 있습니다.

• 성능 향상: 건식 공정은 활성 물질의 압축 밀도를 효과적으로 높여 에너지 밀도를 약 20% 향상시킵니다. SAIC 그룹의 MG4 모델에 탑재된 반고체 배터리는 400Wh/kg의 시스템 에너지 밀도를 달성하여 12분 고속 충전으로 400km를 주행할 수 있습니다.

• 환경 및 재료 호환성: 건식 공정은 독성 용매를 사용할 필요가 없어 기존 습식 공정의 환경 오염 문제를 해결합니다. 동시에 망간계 음극과 같은 보다 경제적인 재료를 사용할 수 있게 해줍니다.

03. 기술 매트릭스: 건식 필름 형성을 위한 다양한 경로

건식 박막 형성은 단일 공정이 아니라 다양한 기술적 경로를 포괄하는 복잡한 과정입니다. 현재 가장 대표적인 건식 전극 제조 기술은 크게 여섯 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

• 심방세동 검사법: 이 공정은 높은 전단력을 이용하여 결합제를 미세 섬유화시켜 활성 물질과 전도성 물질을 단단히 감싸 자립형 전극막을 형성합니다. 이 공정에는 장비에서 매우 높은 전단력과 온도 제어 능력이 요구됩니다.

• 건식 분무 증착: 이 기술은 전기장 하에서 전류 집전체에 균일하게 증착되는 대전 분말을 사용하고, 이어서 열압착을 통해 바인더를 녹여 고정시켜 자립형 필름을 형성합니다.

• 기타 방법: 증착, 용융 압출, 직접 프레스 및 3D 프린팅은 재료의 특성과 적용 시나리오에 따라 적용됩니다.

이러한 다양한 방식은 기술 원리, 적용 가능한 재료, 필름 형성 능력 및 장비 복잡성에서 차이가 있으며, 대규모 유연 전극, 소형 장치 및 두꺼운 전극 시트와 같은 다양한 응용 분야에 적합합니다.

주요 건식막 형성 기술 방식 비교

업계에서는 일반적으로 바인더 섬유화법이 우수한 성능 안정성과 가공성을 보여주며, 차세대 주류 공정으로 자리매김하고 있다고 평가합니다.

04. 산업화 과제: 연구실에서 대량 생산으로의 격차 해소

건식 필름 형성의 분명한 장점에도 불구하고, 실험실 규모에서 대량 생산으로의 확장은 수많은 난관에 직면해 있습니다. 생산 능력과 효율성이 가장 중요한 고려 사항입니다. 건식 코팅의 생산 능력과 속도는 여전히 기존 습식 공정에 비해 뒤처지며, 넓은 면적 분사 시 균일성과 접착 성능은 상당한 개선이 필요합니다.

코팅 균일성과 품질 관리는 또 다른 주요 과제입니다. 불균일한 건식 전극 코팅은 전극 내부에 "핫 스팟"을 생성하여 배터리 성능 저하를 가속화하고 잠재적인 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

결합제와 재료 간의 호환성 또한 추가적인 최적화가 필요합니다. 활성 물질 입자의 손상을 방지하면서 혼합물 내에 PTFE 섬유를 균일하게 분포시키는 것이 필수적입니다. 또한, PTFE는 낮은 전위에서 불안정하고 리튬과 비가역적으로 반응하기 때문에 음극에서의 적용이 제한적입니다.

장비 측면에서의 어려움 또한 만만치 않습니다. 건식 공정은 핵심 롤러 프레스 기계에 더 높은 요구 사항을 부과합니다. 핵심 장비인 캘린더링 기계의 성능과 생산 효율은 건식 공정의 대량 생산 가능성을 결정하는 데 매우 중요합니다.

TOB 뉴 에너지 당사는 이러한 과제를 해결하기 위해 적극적으로 노력하고 있으며, 보다 효율적이고 저렴한 필름 형성 성능을 달성하기 위해 음극의 바인더 함량을 0.7%, 양극의 바인더 함량을 1.5% 미만으로 제어하는 것을 목표로 하고 있습니다.

05. 장비 혁신: 건식 공정 구현을 이끄는 핵심 동력

일반적으로 고체 배터리의 산업화는 장비 혁신에 의해 주도됩니다. 특히 건식막 형성 분야에서는 장비 혁신이 기술 구현의 핵심 동력입니다.

• 프런트엔드 공정 장비: 고효율 혼합, 재료 분산, 코팅 및 고전단 처리용 핵심 장비를 포함하여 전체 생산 라인 가치의 약 32%를 차지합니다.

• 중급 공정 장비: 이 부분은 라인 가치의 약 45%를 차지하며, 고효율 적재기(라인 가치의 25%)와 수평 등압 프레스(라인 가치의 13%)를 중심으로 성형부터 밀도화까지 전체 공정을 포괄합니다.

• 후처리 장비: 이 제품군은 건식 분말 종합 시험기 및 고체 배터리 통합 캐비닛용 수평 고온 고정 장치 솔루션을 포함하여 전체 제품 라인 가치의 약 23%를 차지하며, 고전압 형성 및 용량 등급 분류 및 조립을 구현합니다.

06. TOB 뉴 에너지: 연구실에서 대량 생산까지 포괄적인 솔루션 제공

건식 필름 형성 기술의 산업화 기회와 과제를 다룬다. TOB 뉴 에너지 당사는 배터리 제조 분야에서 수년간 축적해 온 기술력을 활용하여 연구실 단계부터 대량 생산에 이르기까지 고객에게 완벽한 솔루션을 제공합니다.

실험실 규모 건식 전극 라인용 솔루션

당사는 건식 전극 실험 라인을 위한 맞춤형 장비 및 서비스 전체 제품군을 제공합니다. 당사가 개발한 솔루션은 다음과 같습니다. 실험실 제트 밀 소형화, 지능화 및 고정밀도를 통합하여 리튬 배터리 건식 전극 재료의 섬유화에 필요한 실험 등급 분말 준비에 적합합니다. 실험실용 건식 전극 필름 형성기 분말에서 박막으로의 형성 공정에 사용할 수 있는 실험실용 건식 전극 연구 장비입니다.

파일럿 규모 생산을 위한 솔루션

우리는 제공합니다 건식 전극 필름 형성기 GWh급 대량 생산 설비를 포함하여 다양한 생산 라인 요구 사항을 지원합니다. 정밀한 장력 제어 및 두께 조정을 통해 27μm 또는 그보다 더 얇은 건식 전극 시트를 제작할 수 있습니다.

산업 대량 생산을 위한 솔루션

산업용 대량 생산 요구 사항을 충족하기 위해 당사는 완벽한 건식 전극 생산 라인 솔루션을 제공합니다. 당사 시스템은 제어 가능한 공급, 필름 형성, 박막화, 전류 집전체 배합 및 품질 검사를 포함한 모든 공정을 포괄합니다. 제품 폭은 최대 1000mm, 두께 범위는 40~300μm이며, 고효율 생산을 위해 2~6개의 건식 전극 시트를 병렬로 가동할 수 있습니다.

당사의 기술팀은 건식 박막 형성 공정의 모든 측면을 깊이 이해하고 있으며, 고객의 특정 재료 시스템(예: 흑연/실리콘-탄소 음극, 삼원계/LFP 양극, 다양한 전고체 전극 재료) 및 장비 요구 사항에 기반한 맞춤형 공정 최적화 솔루션을 제공할 수 있습니다. 소재 측면에서 당사는 특수 바인더 및 건식 공정에 적합한 개량 전도성제를 포함한 최첨단 배터리 소재를 고객에게 제공하여 소재와 공정 간의 최적의 호환성을 보장합니다.