이차전지용 음극재(Anode Material) 제조 방법 보고서

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이차전지용 음극재(Anode Material) 제조 방법 보고서

1. 개요 (Overview)

이차전지에서 음극재(Anode Material)는 충·방전 과정에서 리튬 이온을 저장(intercalation)·방출(de-intercalation)하는 핵심 소재이다.
음극재의 물성은 배터리의 용량, 수명, 급속충전 성능, 안전성에 직접적인 영향을 미친다.

현재 상용 리튬이온전지 음극재의 약 90% 이상은 흑연계(Graphite-based) 소재이며, 차세대 음극재로 실리콘(Si), 실리콘-탄소 복합재(Si-C)가 활발히 연구·적용되고 있다.

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2. 음극재의 종류

2.1 흑연계 음극재

• 천연흑연(Natural Graphite)
• 인조흑연(Artificial/Synthetic Graphite)

2.2 차세대 음극재

• 실리콘(Si)
• 실리콘-탄소 복합재(Si/C)
• 리튬 티타네이트(LTO, Li₄Ti₅O₁₂)

 

3. 흑연계 음극재 제조 공정

3.1 원료 준비 (Raw Material Preparation)

(1) 천연흑연

• 광산에서 채굴한 흑연 원광 사용
• 불순물(SiO₂, Fe, Al 등) 포함

(2) 인조흑연

• 침상코크스(Needle Coke) 또는 피치(Pitch) 기반
• 고순도, 균일한 결정 구조 확보 가능

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3.2 분쇄 및 입도 조절 (Milling & Particle Size Control)

• 볼밀(Ball Mill), 제트밀(Jet Mill) 사용
• 목표 입자 크기:
• 입도 분포가 균일할수록:

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3.3 구형화(Spheroidization)

목적:
흑연 입자를 **구형(spherical)**으로 만들어 전극 성능 향상

효과

• 탭 밀도(Tap Density) 증가
• 전해액 젖음성(Wettability) 향상
• 전극 코팅 균일성 개선

방법

• 고속 충돌식 구형화 장비
• 마찰·전단력 기반 형상 제어

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3.4 정제 공정 (Purification)

(1) 화학적 정제 (Chemical Purification)

• HF, HCl, NaOH 등 사용
• 순도: 99.9% 이상

(2) 열 정제 (Thermal Purification)

• 2,500~3,000°C 고온 처리
• 친환경적이나 비용 높음

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3.5 고온 열처리 (Graphitization)

• 온도: 2,800~3,000°C
• 목적:

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3.6 표면 코팅 (Surface Coating)

목적

• 초기 효율(ICE) 개선
• SEI 형성 안정화
• 수명 특성 향상

코팅 재료

• 탄소 코팅(Carbon Coating)
• 피치(Pitch), 당류, 폴리머 등

방법

• 코팅 → 열분해(Carbonization)

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4. 실리콘 기반 음극재 제조 (요약)

4.1 실리콘 음극의 특징

• 이론용량: ~4,200 mAh/g
• 문제점:

4.2 Si-C 복합재 제조 방식

• 나노 실리콘 분산
• 탄소 매트릭스 내 포집
• 코어-쉘(Core-Shell) 구조 설계

→ 현재는 흑연 + 소량 실리콘 혼합 방식이 상용화 단계

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5. 음극재 → 음극 전극 제조 연계 공정

음극재는 단독 사용되지 않고 아래 공정으로 이어진다.

1. 음극재 + 바인더(PVDF) + 도전재 혼합
2. 슬러리(Slurry) 제조
3. 동박(Cu Foil)에 코팅
4. 건조 및 롤 프레싱(Calendering)
5. 셀 조립

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6. 음극재 제조에서의 핵심 기술 포인트

구조	입도 분포, 구형도
화학	순도, 불순물 관리
전기	전도도, 결정성
표면	코팅 균일성, SEI 안정성
공정	대량 생산성, 비용

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7. 결론

이차전지 음극재 제조 기술은 단순한 분말 가공이 아닌,
재료공학 + 열공정 + 표면공학 + 전기화학이 결합된 고부가가치 산업이다.

향후 기술 방향은 다음과 같다.

• 고밀도·고속충전 대응 음극재
• 실리콘 복합 음극의 안정화
• 공정 단순화 및 친환경 제조

 

1. 음극재 제조 공정의 전체 흐름 (Process Flow)

음극재 제조는 크게 아래 8단계 공정으로 구성됩니다.

원료 투입

→ 분쇄/입도조절

→ 구형화

→ 분급

→ 정제

→ 고온 열처리

→ 표면 코팅

→ 검사·포장

2. 공정별 사용 기술 및 장치 구조

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2.1 원료 투입 및 이송 공정

● 목적

• 원료의 연속적·정량적 공급
• 분진 발생 최소화

● 주요 장치 구성

• 호퍼(Hopper)
• 스크류 피더(Screw Feeder)
• 진공 이송기(Pneumatic Conveyor)

● 기술 포인트

• 분말 응집 방지를 위한 진동/교반 구조
• 밀폐 구조 + 집진기 연동
• 자동 중량 계측 (Load Cell)

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2.2 분쇄 및 입도 조절 공정 (Milling)

● 목적

• 입자 크기 감소
• 균일한 입도 분포 확보

● 사용 장치

① 볼밀 (Ball Mill)

• 회전 드럼 + 세라믹/강구
• 충돌·마찰로 분쇄

② 제트밀 (Jet Mill)

• 고압 가스로 입자 충돌
• 초미분 분쇄 가능

● 장치 구조 특징

• 내마모 라이닝
• 밀폐형 챔버
• 냉각 재킷(과열 방지)

● 공정 제어 요소

• 회전 속도
• 체류 시간
• 분쇄 에너지 밀도

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2.3 구형화 공정 (Spheroidization)

● 목적

• 불규칙한 입자를 구형에 가깝게 성형
• 전극 밀도 및 흐름성 개선

● 사용 장치

• 고속 충돌식 구형화 장비

● 장치 구조

• 고속 회전 로터
• 입자 간 충돌 유도용 챔버
• 다단 충돌 구조

● 기술 포인트

• 전단력 + 마찰력 제어
• 과도한 파쇄 방지
• 구형도(Sphericity) 제어

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2.4 분급 공정 (Classification)

● 목적

• 목표 입도 범위만 선별
• 미분 제거

● 사용 장치

• 에어 클래시파이어(Air Classifier)
• 사이클론 + 필터

● 구조적 특징

• 원심력 + 공기 흐름 이용
• 회전 날개(Rotor Speed)로 컷 사이즈 제어

● 기술 포인트

• D10 / D50 / D90 정밀 제어
• 재순환(Return Loop) 설계

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2.5 정제 공정 (Purification)

● 목적

• 금속·무기 불순물 제거
• 전기화학적 안정성 확보

● 공정 방식

① 습식 화학 정제

• 반응조 + 교반기
• 산/알칼리 순환 시스템

② 건식 열 정제

• 고온 로터리 킬른
• 불활성 가스 분위기

● 설비 포인트

• 내식성 라이닝
• 폐수·배출가스 처리 설비 연동
• 자동 약품 투입 시스템

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2.6 고온 열처리 공정 (Graphitization)

● 목적

• 결정 구조 정렬
• 전기 전도도 향상

● 사용 장치

• 전기로(Electric Furnace)

● 구조적 특징

• 2,800~3,000°C
• 탄소 히터 or 흑연 전극
• 질소/아르곤 분위기

● 핵심 기술

• 온도 구배 제어
• 체류 시간 균일화
• 에너지 효율 관리

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2.7 표면 코팅 공정 (Surface Coating)

● 목적

• SEI 안정화
• 초기 효율 개선
• 수명 향상

● 사용 장치

• 코팅 믹서
• 스프레이 코터
• 열분해 퍼니스

● 장치 구조

• 분말 회전 혼합기
• 액상 코팅 균일 분사
• 코팅 후 탄화(Carbonization)

● 기술 포인트

• 코팅 두께 나노 단위 제어
• 응집 방지
• 연속 공정화

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2.8 검사·포장 공정

● 목적

• 품질 기준 충족 확인
• 출하 안정성 확보

● 사용 설비

• 입도 분석기 (Laser Diffraction)
• BET 비표면적 분석기
• 탭 밀도 측정기
• 자동 포장기

● 자동화 포인트

• 배치 이력 관리
• MES 연동
• 로트 추적

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3. 음극재 제조 설비의 공정적 특징

구분	특징
공정 성격	분말·고온·연속
핵심 설비	밀링, 고온 퍼니스
제어 요소	입도·온도·체류시간
환경 대응	분진·가스·폐수
자동화	고도화 필수

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4. 제조 공정 관점에서의 핵심 기술 트렌드

• 연속식 공정(Line Integration)
• 고온로 에너지 효율 개선
• 분말 핸들링 자동화
• 표면 개질 공정 고도화
• 플라즈마 기반 표면처리/정제 기술의 대체 공정 가능성

(※ 이 부분은 함브르가 관심 많은 영역이라, 따로 확장 가능)

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5. 결론

음극재 제조는 단순한 “재료 생산”이 아니라
분말 공정 + 고온 열공정 + 표면처리 + 자동화 설비가 결합된 정밀 제조 산업이다.

향후 경쟁력은:

• 공정 안정성
• 설비 효율
• 연속화·자동화 수준
  에서 결정된다.