7. 전지 공장 구조

[엔지닉 2차전지 칼럼소개]

2차전지의 경우 다른 산업과 달리 교육 프로그램이나 교육 자료가 거의 없습니다. 그렇다보니 2차전지 공부를 하려는 학생들이 실제로 저에게 어려움을 토로하곤 합니다. 그래서 2차전지 공부를 시작하는 학생들을 위해 2차전지가 무엇인지, 무엇을 알아야 하는지에 대한 글을 연재하려고 합니다. 해당 내용은 비전공자를 포함한 모든 이공계생은 물론, 2차전지에 관심이 있는 문과학생들도 알아 두면 좋은 내용들입니다. 2차전지에 관심이 있는 학생들에게 도움이 되기를 바랍니다.

 리튬 이온 전지 공장은 전극 제조, 전지 조립, 화성 공장으로 구성되어 있다. 전극 제조는 비디오테이프 공정과 유사한데, 이는 Sony가 전극 제조 공정을 설계할 때 비디오테이프 공장을 벤치마킹했기 때문이다. 1층의 전극 제조 공장에서 제조한 양·음극 전극은 2층의 조립 공장으로 이송된다. 전극 제조와 전지 조립 공장을 연결하는 것이 진공 건조 공정이다. 이 진공 건조 공정을 통해 전극 제조 공정 중에 전극에 혼입된 수분을 12시간 이상 가열하여 제거한다. 1층에서 넣은 전극은 진공 건조가 완료되면 2층에서 빼낸다.

전지 조립은 리튬 1차 전지 조립 공장을 벤치마킹했다. 리튬이 수분과 접촉하면 반응하여 수소를 발생하므로 드라이룸(Dry room)에서 방진복을 입고 작업한다. 전지 조립이 완료된 전지는 드라이룸 밖으로 이송되어 캔에 묻은 전해액을 물로 제거한다. 이것을 세척 공정(washing)이라고 한다. 세척 공정을 하지 않으면 전지 캔이 붉게 부식된다.

 리튬 이온 전지는 방전 상태로 제조된다. 조립이 완료된 전지에 바로 전압이 뜨지 않지 않기 때문에, 활성화해야 전지로서 기능을 할 수 있다. 이를 위해 전지는 구름다리로 연결된 별도의 건물인 화성 공장으로 무인운반차(AGV:Automated Guided Vehicle)에 실려 이동된다. 이 화성 공정 중에 전지의 발화·폭발 사고가 일어나 공장에 불이 날 위험이 있다. 그래서 화성 공장을 본 건물과 분리시킨 것이다. 화성 공장에서 1차 충전을 하면 흑연 음극 표면에 이온 전도성 피막인 SEI(Solid Electrolyte Inter-phase) 필름이 형성된다. SEI 필름의 물리적 강도와 건전성이 전지의 수명을 결정한다.

 Sony가 전지 공장을 설계할 때 목표로 했던 것이 무인 공장이었다. 그러나 Sony는 무인 공장의 꿈을 이루지 못하고 2017년 전지산업계에서 물러난다. Tesla는 Gigafactory라는 초대형 전지 공장을 건설하여 비용을 35% 이상 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 아직까지 Tesla의 전지 공장에 대한 도전적인 시도는 좋은 결과를 내지 못하고 있다. 그러나 Tesla가 추구하는 방향만은 옳다고 할 수 있다. 제조 혁신 없이는 전기자동차 시대를 열 수 없다. 기존의 공장과 동일한 공장을 계속 건설하는 것이야 말로 무모한 시도인지 모른다. 그것은 공급 과잉만 초래할 뿐이다.

[엔지닉의 요약정리!]

■ 리튬 이온 전지 공장의 구성

전극 제조→전지 조립→화성 공장

(1) 1층 '전극 제조 공장'에서 양·음극 전극 제조

▶ 전공 건조 후 ▶ (2) 2층 '전지 조립 공장'으로 이동하여 조립

▶ 아직 전압이 걸리지 않은 전지의 활성화를 위해 ▶ (3) '화성 공장'에서 1차 충전 후 출하

■ 전극제조 = 화학·화공 / 전지조립 = 기계공학 / 화성공정 = 전기·전자공학과 관련

→ 전지 기술은 다방면에 걸친 기술이 필요한 '종합 기술'

■ 테슬라는 전지 공장에 대한 도전적인 시도를 하고 있지만 아직 성과를 내지 못하고 있음

but) 이러한 제조 혁신에 대한 끊임없는 도전이 전기자동차 시대를 열 수 있음

▶▶▶ 8편에서는 전지 chemistry에 대한 내용이 이어집니다.