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전기자동차용 리튬이온 이차전지의 생산기술
서언
온실가스 배출억제와 수입원유 저감을 위한 자동차의 전동화가 활발하게 추진되고 있다. 1997년에 실용화된 Toyota Prius로 대표되는 하이브리드자동차는 15년이 경과한 현재 누적 생산판매량 400만대를 초과하고 2013년부터는 연간 100만대가 생산/판매될 예정으로 완전하게 실용화되었다고 할 수 있다. 2010년부터는 Nissan LEAF가 양산 시판되고 GM의 플러그인 하이브리드자동차 Chevrolet Volt가 양산 시판되어 전기차의 세계적인 보급도 멀지 않았다.
전기자동차는 동력원을 이차전지(Battery)에 충전된 전기로만 주행하는 배터리전기자동차(BEV : Battery Electric Vehicle), 이차전지-모터로 구성된 전동시스템과 엔진의 내연기관을 함께 장착한 하이브리드 자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle) ,그리고 HEV에 장착된 전지용량을 키우고 배전망으로부터 충전이 가능하도록한 플러그인 하이브리드자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)로 대별된다. 이 밖에도 연료전지 자동차가 있다.
HEV에는 니켈수소 이차전지가 탑재되어 있다.
미국의 오바마 대통령에 의한 전기자동차 및 관련 이차전지에 대한 우대정책과 중국, 일본, 유럽을 포함하여 국제적인 개발/실용화 경쟁이 치열하게 전개되고 있다.
리튬이온 이차전지 시장
일본의 Yano경제연구소에 따르면 2011년도의 리튬이온 이차전지 전 세계 시장규모는 1조1,693억엔이다. 2015년도에는 2조8,834억엔 시장으로 확대될 것으로 전망하고 있다.
차량탑재용은 2011년도에 1,000억엔에 육박하나 2015년도에는 1조엔 가까이 성장할 것으로 예측되고 실적에서는 일본기업이, 수주량으로는 한국이 선행하고 있다. 중국과 미국은 아직 준비단계이다.
양극소재, 음극소재, 분리막 및 전해액의 주요 4부재에 대한 시장규모가 메이커 출하량 베이스로 2011년도에 4,473억엔이던 것이 2014년도에는 8,003억엔으로 성장할 것으로 Yano경제연구소는 예측하고 있다.
전기자동차용 리튬이온 이차전지
전기자동차에 요구되는 성능은 하이브리드자동차, 플러그인 하이브리드자동차, 배터리전기자동차에 따라 다르며 <그림 1>은 미국 에너지부에서 정한 요구 성능이다. 수명, 구동온도, 내용온도 및 가격목표도 제시되고 있다.
구동온도 30℃∼52℃, 내용온도 -46℃∼66℃와 내연연수 15년 등이 휴대형 전자기기용과 크게 다르다.
리튬이온 이차전지는 리튬이온이 양극·전해질·음극 사이를 왕복하면서 삽입·탈리를 통해 충·방전의 전지작용을 하는 이차전지이다. 양극활물질로는 천이금속 산화물 등, 음극 활물질로는 Graphite 등, 그리고 전해질로는 LiPF6 등의 리튬염을 유기용재에 녹인 것이 널리 사용되고 있다.
양극 활물질로는 리튬-니켈-코발트-알루미늄(NCA), 리튬-니켈-망간-코발트(NMC), 리튬-니켈-망강 스피넬(LMO) 및 리튬 인산철(LFP) 등이 사용되고 있다.
음극 활물질로는 탄소/Graphite가 주로 사용되지만 안전성과 신뢰성 향상을 위하여 리튬- Titanate(LTO)가 사용되기 시작했으며, 최근에는 실리콘이나 주석 등이 개발되고 있다.
전해질로는 Ethylene Carbonate나 Diethyl Carbonate와 같은 유기탄산염에 LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiBF4, LiCF3SO3 등의 리튬염을 녹여 사용한다. 폴리머(Polymer) 이차전지에서는 고체 폴리머에 이들 염을 젤(Gel) 형태로 삽입하여 사용한다.
<그림 1> 미국 DOE의 2007년도 EV, PHEV 및 HEV에서의 충전심도와 에너지용량 및 출력/에너지용량 비
차량탑재용으로는 <그림 2>에서 보는 바와 같이 방열이 용이하고 대 전류용 전극단자 접합이 용이한 Laminate형이 보편적이다. 이 밖에도 휴대형 전자기기용으로 저가로 생산되는 18650 원통형 리튬이온 이차전지를 Premium 전기자동차 Tesla의 모델 S에 공급하고 있는 Panasonic도 있다. 여기에서는 Ni계의 리튬이온 이차전지가 탑재되고 있다.
<그림 2> Laminate형 리튬이온 이차전지의 구성도 
<그림 3>은 세계 최초로 양산 판매된 배터리 전기자동차 Nissan LEAF에 탑재된 24kWh 이차전지 팩이다. Mn계 셀 묶음(Pouch Cell) 4장으로 구성된 모듈 48개, 즉 192 셀로 구성되어 있다.
자동차용 리튬이온 이차전지가 놓이는 환경은 매우 열악하다. 성능을 유지하기 위하여 온도조절 기능을 갖는 열 교환시스템이 필수적이다.
<그림 3> Nissan LEAF에 탑재된 리튬이온 이차전지 팩 
KUBT가 제안하는 주요 제조기기
미국 오바마정부는 재생·재투자법 자금을 활용하여 12억달러를 투자하여 환경친화형 자동차 관련 생산시설을 미국내에 건조하고 있다. 이들에게 공급하기 위하여 한국의 KUBT사(Korea-US Battery manufacturing Technology)가 제안하고 있는 생산프로세스 개념도가 <그림 4>이다. 한국은 휴대형 전자기용 리튬이온 이차전지분야에서 안전성과 신뢰성을 확보하면서 가격 경쟁력이 있고 LG화학 등이 전기자동차용 생산시설도 양산 체제를 구비하고 있어 한국 기업이 유리한 위치에 있다.
리튬이온 이차전지는 양/음극 활물질 분체가공, 전극판 제조 및 셀 조립, 전해액 충전을 거쳐 충/방전이 가능한 셀로 만들어진다. 이러한 공정은 10 종류 이상의 원료부재를 취급하고 12단계 이상의 공정을 거친다. 활물질 조제의 전 공정과 전극판 제조의 중간 공정까지는 다량의 미분말과 습한 슬러리를 취급하는 공정이기 때문에 기기의 청소가 중요하다.
<그림 4> KUBT의 리튬이온 이차전지 생산프로세스 개념도 
셀 조립후의 공정은 분위기가 크게 바뀌어 청정하고 건조한 제조환경이 요구된다. 이물질의 혼입 방지, 셀 조립에서의 완전한 건조, 전해액 주입공정에서의 낮은 이슬점 환경을 유지해야 하는 등의 요건을 충족시켜야 한다.
<그림 5>는 KUBT가 공급하는 장비 가운데 핵심인 Slot Die Coating 시스템, 전극 절단기 및 Laminate형 리튬이온 이처전지 셀의 Winding Machine이다.
<그림 5> KUBT가 제안하는 리튬이온 이차전지 제작용 주요장비의 예 
EV-HEV용 리튬이온 이차전지 Winding Machine
<그림 6>은 30Ah 리튬이온 이차전지 100만 셀 제조시설의 제조공정별 제조설비 코스트를 나타낸 것이다. 일본에서의 시산으로는 2010년도 기준 총액 14.27억엔이 소요되는 것으로 계산하고 있다.
미국 오바마 대통령의 미국 재생·재투자계획의 일환으로 미국정부로부터 약 151백만달러, LG화학 미국 법인 Compact Power가 약 155백만달러를 투자하여 미국 미시건주 Holland시에 2013년 5월 31일의 준공을 목표로 리튬이온
이 공장은 고품질의 자동차용 리튬이온 이차전지 생산성이 실증된 LG화학의 오창 공장의 완전한 Copy-Plant이다. 공정은 2단계로 나누어 시행되며 1단계로 어셈블리 공장을 2012년 2사분기까지 완성하고 2단계인 전극제조 공장은 2013년까지 완공한다.
1단계 건설공사와 기기 설치공사를 마무리하고 2011년 10월부터 제조공정의 성능확인 시험을 시행 중이다. 2단계 건설공사는 100% 완료하고 전극제조설비의 설치작업을 수행 중에 있다.
<그림 6> 30Ah 100만셀 제조공정별 제조설비 구성 
자동차탑재용 리튬이온 이차전지 Value Chain과 참여기업
<표 1>은 리튬이온 이차전지 사업의 Value Chain과 이에 참여하고 있는 기업이다.
완성차메이커도 포함되어 있다. 좌측 제1컬럼은 양극활물질, 음극활물질 및 전해질의 전구물질 등 주요 핵심물질이다. 셀 부재와 전자부재 항목에는 이차전지 셀용 부재와 이차전지 팩용 일렉트로닉스가 포함되어 있다. 일렉트로닉스 속에는 냉각시스템, 고정시스템 패키지 등이 포함되어 있고 이차전지 제어회로용 칩도 포함된다.
맨 우측 컬럼은 이차전지 팩을 사용할 완성차 메이커가 위치하게 된다.
<표 1> 리튬이온 이차전지 Value Chain과 참여기업 
향후 과제
전기자동차용 리튬이온 이차전지의 양극/음극활물질, 전해질 등은 내연기관자동차와 동등한 항속거리, 환경적응성 가격 등에서 기술이 완성된 것이 아니나 양산체제 확보를 통한 가격경쟁에서 유리한 고지를 점령하여 완성차메이커와의 공급계약을 선점하겠다는 전략으로 이차전지 메이커는 양산체제 구축을 서두르고 있다.
휴대형 전자기기용 리튬이온 이차전지 양산체제 구축에서 우리의 삼성 SDI, LG화학 등이 안전성과 가격 면에서 유리한 양산체제 구축경험이 있고 일본 기업의 투자여력이 없는 상황에서 이 분야에의 전격적인 진출은 좋은 전략이었다. 그러나 생산과잉이 되지 않으려면 완성차 메이커와 더욱 긴밀한 협조가 필요하다.
현재로서는 완성된 기술이 아니고 비약적인 성능을 갖는 활물질과 전해질이 나올 수 있는 상황이다.
이를 위한 기초연구가 우리나라를 위시하여 세계 각국에서 치열하게 전개되고 있어 이들의 움직임을 주의 깊게 지켜보고 이에 대응해야 한다.
글 | 조 만
Machinery Industry 2012. 12
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출처: 마음의 정원 원문보기 글쓴이: 마음의 정원
첫댓글 이거?????...../. 기업비밀~~~~아니여???
이미 한참지난 정보 라 기업비밀 은 아니지 ㅎ
여자들은 기계얘기는 글로도 이해가 잘안돼 뭔소린지 도통 ㅎ
이런연구원들을 가장 존경하는 나랍니다.
웅?
웅!!!!!
웅~~~신기술이라 길어두 읽어 보렸더니
넘 어려부~~
물로 가는 자동차가 있으면 좋을텐데.. ㅎ
수소 자동차도 나온다드만.. 좋은 정보 감사.ㅎ