리튬 이온 배터리

 

 

 

최근 수많은 언론의 주목을 받고 있는 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)는 1991년 일본 소니사를 통해 처음 상용화된 이후 다양한 산업의 기술 발전에 크게 일조해왔다.

리튬 이온 배터리가 없었다면 오늘날 우리의 삶은 매우 달라졌을 것이다. 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 태블릿, 노트북 등에 쓰이면서 우리가 소통하고 일하는 방식을 형성했으며, 휴대용 가전제품, 가전 기기, 전동 공구 등에 쓰이면서 일상적 삶의 방식을 바꿔 놓았다.

또한, 리튬 이온 배터리는 기존 차량의 내연 기관을 대체하며 운송 부문의 탈탄소화를 위한 친환경 연료로써 더 많이 사용되고 있다. 연소 엔진과 달리 전기차는 공기를 오염시키지 않고 사용 시 CO2를 배출하지 않는다.

리튬 이온 배터리 전지는 양극, 음극, 중간 전해질의 세 가지 주성분으로 구성된다. 리튬 배터리는 에너지 밀도가 높아 특히 모바일 애플리케이션에 적합하다. 다른 배터리에 비해 같은 무게에서 에너지를 더 많이 저장할 수 있는데, 이는 양극을 만드는 전체 소재인 리튬이 지구에서 가장 가벼운 금속이기 때문이다. 리튬 이온 배터리 기술이 출시된 지 30년이 넘었지만, 여전히 기술 혁신의 여지가 있다. 오늘날 혁신의 5가지 주요 목표는 저장 용량 개선, 충전 시간 단축, 전지 수명 연장, 배터리 안전성 개선, 그리고 생산 비용 절감이다.

 

전기차

 

리튬 이온 배터리는 다양한 분야에서 응용되어 왔지만, 향후 수십 년 동안은 전기차에서 그 수요가 가장 클 것으로 예상된다. 그 예로 테슬라가 있다. 계획된 시설이 모두 완공될 경우, 테슬라의 연간 배터리 용량 수요는 약 120GWh에 이를 것이라 예측된다. 그 규모를 가늠해 보면, 연간 전기차 200만 대를 생산하는 것과 맞먹는 수준이다.

전 세계 주요 자동차 생산업체(토요타, 폭스바겐, R-N-M, 테슬라, 현대기아차) 5곳을 살펴보면, 판매 목표가 2019년에는 100만 대도 되지 않았지만 2025년에는 1,500만대로 크게 증가했다. 전기차 한 대에 약 60kWh 배터리 용량이 필요하므로, 2025년 배터리 용량 수요는 약 900GWh로 계산된다. 하지만, 2020년 총 배터리 생산 용량은 300GWh에도 못 미치는데, 이러한 수요 급증을 따라가기 위해 배터리 제조업체는 오늘날 막대한 자본을 투자하고 있다. 이는 성장하는 시장에서 에머슨의 서비스를 제공할 풍부한 기회가 있다는 것으로 해석된다. 현재 에머슨은 전 세계 모든 지역을 대상으로 리튬 가치 사슬 전체에서 발생하는 기회를 찾고 있다. 당사는 음극, 양극 및 전해질 제조 산업의 리튬 사용과 관련하여 채굴 부문 외 총 220가지의 기회를 확인했으며 사업의 투자 가치는 총 2,000억 달러 이상에 이른다. 리튬 가치 사슬을 살펴보며 생산 공정을 이해하고 에머슨의 기회를 어디에서 찾을 수 있을지 알아봤다.

 

리튬 가치 사슬

 

가치 사슬은 업스트림, 미드스트림, 다운스트림 및 리사이클링으로 분류된다. 리사이클링은 배터리 가치 사슬의 역방향 진행으로, 리사이클링 공정은 업스트림 정제와 유사하다.

업스트림은 리튬, 니켈 등의 금속과 기타 배터리 생산에 필요한 자원을 추출하는 채굴 공정에서 시작한다. 리튬은 스포듀민이라고 불리는 큰 결정체로 이루어진 화성암에서 발견되는 리튬 광물에서 추출된다. 또한 살라르(Salars)라고 알려진 소금 사막 아래에 위치한 액체 염수 저장소에서도 발견된다. 오늘날 전 세계 리튬은 단단한 암석과 염수에서 균등하게 절반씩 생산되고 있다. 이 금속의 농축 과정 역시 가치 사슬의 일부에 포함된다. 채광 후에는 추출한 광석을 정제하는 과정을 통해 수산화리튬과 탄산염, 금속 황산염을 생산한다.

미드스트림은 전구체 생산 및 배터리 부품 제조 부분에 해당한다. 전구체는 배터리의 핵심 요소인 양극과 음극의 원료가 되는 물질이자 무기 화합물(흑연, 인산철리튬, LFP)이다. 전해질은 양극과 음극 단자 사이에 양전하를 띤 이온이 이동할 수 있게 돕고, 분리막은 음극과 양극을 분리하여 전극 간 전기적 접촉을 막아 단락을 방지한다.

가치 사슬의 마지막인 다운스트림은 전지 생산 영역이다. 전지에는 다양한 유형이 있는데, 원형전지 및 각형전지는 주로 휴대폰이나 가전제품에, 파우치형 전지는 자동차 산업에 사용된다. 전지를 만든 후에는 전지를 그룹화하여 배터리 팩을 만들고, 이를 시스템에 연결하여 전기 자동차에 탑재하는 배터리 관리 시스템을 만든다.

 

업스트림 배터리 생산에서 찾을 수 있는 기회

 

다른 산업과 마찬가지로, 각 배터리 생산 부문에는 풀어야 할 여러 가지 운영적, 기술적 과제가 있으며, 이는 곧 에머슨에게 기회로 이어진다. 업스트림 부분은 주로 땅에서 원료 금속을 추출하고 이를 처리하여 금속 수산화물과 황산염을 만드는 공정에 해당한다. 업스트림 고객은 효율적인 물 사용 및 환경 위험 최소화를 통해 안전하고 지속 가능한 운영을 보장하는 것과 신뢰성 향상, 그리고 프로세스 최적화라는 3가지 주요 과제에 당면해있다.

특히 금속광석을 녹여 원하는 금속을 추출하는 과정이 중요한데, 이는 극한의 고온에서 처리되기 때문에 현재는 모니터링되고 있지 않다. 또한, 첨가제를 넣거나 추출하는 데 쓰이는 용액도 중요한데, 반응기와 탱크의 유량 측정에 대한 신뢰도가 낮아 공정을 정확하게 운영하기 어려운 실정이다. 리튬 처리 공정에서 특히 펌프와 같은 주장비와 열교환기, 컨베이어 벨트에 발생하는 문제는 생산 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 에머슨은 이러한 장비의 성능을 모니터링함으로써 생산 공정의 안정성을 개선하는데 도움을 제공한다.

 

미드스트림 배터리 생산에서 찾을 수 있는 기회

 

리튬 가치 사슬 중 미드스트림 부분에는 양극, 음극, 분리막 제조가 포함된다. 전반적으로 미드스트림 부분의 과제는 품질과 운영 유연성을 개선하고 안전을 보장하는 것이다. 미드스트림 공정에서 배터리 재료들이 반응기와 혼합 용기에서 혼합되는데, 이때 배터리 사양을 충족하려면 각 성분을 정확한 비율로 추가해야 한다. 재료 혼합은 배치 작업으로 이루어지며 각 배치 간 품질을 유지하는 것은 중요한 운영 목표 중 하나다. 또한 혼합 제조법과 일정을 시장 요구에 맞추어 변경하는 능력 등의 운영에 있어 민첩함이 필요하다.

다양한 화합물이 첨가되면서 부식이나 침식이 발생하는 현상도 관리해야 한다. 위험한 산성 물질이 사용되기 때문에, 작업자의 안전은 리튬 생산 공장 중대한 과제 중 하나다. 마지막으로, 안전, 품질 및 유연성을 저하시키지 않으면서 생산 비용을 절감하는 것 또한 미드스트림 고객이 풀어야 할 주요 과제다.

에머슨은 그러한 과제의 해결을 돕는 다양한 솔루션을 제공한다. 코리올리스는 각 추가 성분 양을 정확하게 맞출 수 있도록 보장한다. DeltaV 배치 및 분석은 공정을 제어하고 배치 간 변동성을 줄여주며 부식 및 침식 모니터링은 안전을 보장한다.

 

다운스트림 배터리 생산에서 찾을 수 있는 기회

 

다운스트림은 가치 사슬 과정에서 배터리 전지와 배터리 팩이 생산 및 배송되는 단계. 다운스트림은 양극 및 음극 재료를 결합제 및 용매와 혼합하는 공정으로 시작하며, 이 과정을 통해 양극 및 음극 재료가 구조적 무결성을 갖출 수 있게 해준다. 혼합한 다음, 전극에 전도성 코팅을 분사하여 배터리 안팎으로 전기가 흐를 수 있게 만들며, 중간에 분리기가 추가되고 건조가 진행된다. 그 다음 필요한 배터리 크기에 따라 표본을 커팅한다. 마지막 패키징 단계에서는 내부 가스가 제거되고 다양한 형태의 배터리가 만들어진다.

다운스트림의 주요 과제는 시스템 통합, 제품 최적화 및 안전이다. 에머슨의PLC(Programmable Logic Contoroller) 솔루션과 기계 자동화 솔루션(Machine Automation Solution)은 컨베이어 벨트를 구동하는 모터 및 모터 구동 인버터와 함께 완벽한 솔루션을 제공한다. PLC, 인버터, 모터가 함께 제공되기 때문에 단일 통합 솔루션으로 공정을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, MAS에는 안전 모듈이 있어 안전한 플랜트 운영을 보장하는 최고의 제품이다. 패키징 단계에서 과도한 열이 발생하면 배터리의 취약한 부분이 손상될 수 있는데, Branson 초음파 금속 용접 솔루션은 용접 중 가해지는 열을 최소화하여 배터리를 보호하는 동시에 작업자의 안전을 보장한다.

 

 

 

작성자

 

 

Machuca, Michael 글로벌 화학 산업 플로우 솔루션 사업부 마케팅 디렉터

 

 

이성흔 메져먼트 솔루션 사업부 마케팅 매니저