전기차 배터리 성능을 획기적으로 높일 수 있는 단결정 양극재 개발에 성공한 LG화학이 전용 생산 라인 구축의 필요성을 강조했다. 생산 공정 변경으로 가격이 높아진 상황을 해결하기 위해서다. 100% 단결정 양극재 생산을 위한 중간 크기의 소재 개발의 필요성도 강조됐다.

정명기 LG화학 단입자양극재개발팀장(연구위원)은 12일 서울 강남구 포스코타워 역삼에서 <디일렉> 주최로 열린 '딥테크 포럼 2023'에서 단결정 양극재 개발 과정과 생산 공정을 자세히 설명했다.

양극재는 배터리 원가의 약 40%를 차지하는 핵심소재다. 현재 상용화된 전기차에 적용된 배터리 양극재는 여러 개의 금속 소재가 모인 다결정 구조다. 충전과 방전이 반복될수록 소재 사이의 틈이 커진다. 배터리 수명이 급속히 떨어진다. 단결정은 입자가 부서지지 않아 이런 문제가 없다.

정명기 연구위원은 "단결정은 물로 씻어내는 수세 공정이 빠져 있지만, 소재를 더 잘게 부셔야 하고 소성(열로 서로 다른 물질을 섞는 작업) 온도가 높아 가격이 (기존 다결정 양극재 보다) 더 높다"고 말했다.

문제 해결을 위해 LG화학은 4마이크로미터(μm) 크기의 작은 단결정 양극재를 5~7μm로 늘리는 방법을 연구 중이다. 압연(롤프레싱) 과정에서 에너지 손실이 적다. 특히 각종 소재를 섞는 믹싱 과정에서 작은 단결정은 슬러리가 불안정해질 수 있지만, 중간 크기 단결정은 저항이 적어 안정성을 높일 수 있다.

LG화학은 양극재 생산 공정 혁신도 진행 중이다. 양극재 핵심인 프리커서(전구체)는 생산 과정에서 오폐수를 많이 나온다. 전구체 없이 곧바로 소성 공정을 적용하는 게 핵심이다. 단결정 양극재는 수세 공정을 없앤 덕분에 그만큼 많은 양의 화학물질 배출을 줄일 수 있다.

중장기적으로 리튬망간인산철(LMFP) 양극재도 준비하지만 보급형 제품이고 중국 업체들이 대부분을 차지할 가능성이 있어 사업화는 고민 중이다.

업계는 단결정을 만드는 것도 중요하지만, 내구성 확보를 위한 코팅 기술에서 성능과 품질이 판가름될 것으로 전망한다. 입자 크기를 키우면서 표면 처리를 어떻게 할 것인지가 핵심이다. 이 과정은 높은 온도의 소성 공정이 필요하다. 온도가 높아지면 양극재 표면에 불량이 많이 나온다. 이를 얼마나 잘 제어하느냐가 관건이다.

디일렉=이수환 기자 shulee@thelec.kr
《반도체·디스플레이·배터리·자동차전장·ICT부품 분야 전문미디어 디일렉》

이수환 기자 다른기사 보기