1. 이차전지 트렌드
지구온난화의 가속화로 친환경에너지를 사용한 전기차의 수요가 예상보다 가속화 되고 있고 수요를 만족하기 위해 이차전지의 트렌드는 빠르게 변하고 있습니다. 몇년전까지 에너지밀도를 증가하여 주행가능거리를 증가시키는것이 주요 Issue였습니다. 현재는 에너지효율을 만족한 다운사이징과 화재가 발생하지않는 강건로직과 설계가 적용된 안전한 이차전지로 트렌드가 변경되었습니다. 이차전지 제조사에서는 원재료의 원가를 절감하거나 제조원가를 감소를 추진중입니다. 따라서 고객요구사항을 만족하고 영업이익을 증가하기 위해 이차전지의 트렌드는 빠르게 변하고 있습니다. 게다가 신기술, 신공법이 적용된 다양한 이차전지 개발품질확보와 기 양산중인 이차전지의 신공법 적용시 개발품질확보 중요성이 증가하고 있습니다.
*주요 고객요구사항
1) 주행거리 증가
2) 충전속도 단축
3) 저온시 성능감소 축소
4) 안정성
1-1. 삼원계 이차전지 트렌드
과거 전기차 판매대수가 테슬라의 점유율이 높았기 때문에 원통형 배터리의 포션이 높았으나 글로벌 완성차 브랜드들의 전기차 판매대수가 증가하고 테슬라도 일부차종에 각형배터리를 사용하면서 원통형배터리의 점유율은 줄어들게 되었습니다. 안전성을 고려한 각형 배터리의 점유율은 지속적으로 증가하고 있는 추세입니다. 에너지밀도가 높은 파우치형 배터리가 주행거리증가 목적으로 점유율이 가파르게 상승하였으나 기술력의 고도화로 각 유형별 배터리들이 어느정도 주행거리가 확보되고 있는 추세이기 때문에 전고체 배터리로 트렌드가 변경되기 전에 안전성 측면을 고려해봤을때 각형배터리가 많이 사용될 것으로 예상합니다.
테슬라는 원통형의 사이즈 증대로 용량을 확보하려고 노력중이고 배터리팩기준 원통형 배터리가 다수 사용되기 때문에 공간활용도가 원통형대비 각형이 좋아서 에너지 밀도가 높을 수 밖에 없고 파우치형의 에너지밀도로 확보된 용량에 안전성을 증대하려는 기술력이 재 고도화 되고 있으나 강성측면 각형배터리보다 안전성이 높을 수는 없습니다. 향후 에너지밀도 측면을 고려한 파우치형과 안전성 측면을 고려한 각형 배터리의 점유율이 지속 80% 이상 차지할 것으로 예상합니다.
현재 사용중인 액체타입 이차전지는 이온 전도도가 우수하나 화재발생의 위험을 가지고있고 차세대의 전고체타입은 안전성은 우수하나 이온 전도도가 약 1/1000로 낮기 때문에 증폭시켜줄 수 있는 첨가제의 개발이 중요합니다. 하지만 전고체타입은 하나의 셀을 사용하기 때문에 현재 적용중인 액체타입처럼 여러개의 셀을 구분하고 모듈 및 팩으로 사용되는 불필요한 여유공간을 셀로 채울수 있어 전체 에너지 용량은 증가합니다.
양극재는 High 니켈(Ni)로 코발트(Co)의 비율을 줄일 수 있어 원가절감이 가능하며 성능도 증가할 수 있습니다. 보증가능 누적주행거리(Km)에서 Ni로 증가된 고성능을 유지하는것이 관건입니다.
음극재는 에너지 밀도 및 효율을 증가목적 흑연의 안정된 구조에 실리콘(Si)의 첨가 비율을 개발중입니다. 음극재의 성분이 흑연에서 리튬으로 변경된다면 획기적인 에너지 밀도 증가가 가능합니다. 하지만 안정성을 높이기 위해 별도의 코딩등의 추가개발도 필요합니다.
전해질은 낮은온도에서 리튬이온통로의 효율유지 목적 LiPF6 -> LiFSI로 리튬염을 변경하고 수율확보 및 안전성을 높이기 위한 첨가제를 지속개발중입니다.
분리막은 습식타입에 PVdF 세라믹 코딩으로 고온에서 절연막으로 변하는 기능을 사용중이며 최소두께로 멤브레인 성능을 유지하면서 두께가 줄어든 공간만큼 양극재 및 음극재 성분이 추가되어 에너지 밀도를 증가시키는것이 중요합니다.
1-2. 인산철 이차전지 트렌드
일반광물인 철(Fe)를 사용하여 가격경쟁력을 확보하고 삼원계 대비 안정된 결정구조로 열폭주현상이 없습니다. 이런한 장점에도 불구하고 삼원계 이차전지대비 에너지 밀도가 낮아서 글로벌 완성차업체들이 많이 찾지 않았고 중국시장내에서 생산되어 판매되었습니다. 하지만 테슬라가 저가 전기차에 인산철(LFP)배터리를 탑재하면서 LFP배터리에 대한 인식이 조금씩 바뀌고 있는 추세입니다.
전기차의 수요대비 공급부족현상때문에 임시 대안으로 LFP를 선택한것으로 보이나 인산망간철(LMFP) 이차전지가 개발되어 셀당 에너지밀도 수준이 195Wh/kg -> 230Wh/kg으로 15%정도 높아졌습니다. 망간(Mn)을 혼합하여 생산원가는 동등수준인데 에너지밀도가 높아지기 때문에 글로벌 완성차업체들의 저가 브랜드 차량에 지속사용될 것으로 생각됩니다.
LFP 이차전지가 셀당 에너지밀도는 195Wh/kg로 삼원계대비 낮지만 주행거리가 400km이상 나오는 이유는 셀을 삼원계대비 더 많이 조립하여 용량이 더 크기 때문입니다. LFP는 Cell to Pack방식으로 모듈없이 팩으로 조립하는 추세입니다.
LFP 이차전지는 안정된 결정구조를 가지고 있어 열폭주현상은 이론적으로 없지만 실제 판매된 차량에서 화재가 발생하고 있습니다.
2. 수율 확보방안
수율은 코팅공정, 조립공정, 후공정 각 공정별 수율이 다른것으로 알고 있습니다. 후공정 Aging기간이 전체 제조기간의 50%를 차지하고 불량도 다른공정대비 많이 검출되는 사항입니다.
2-1. 공정별 검사장비 고도화
머신러닝 비젼검사, 초음파검사, X-Ray검사, CT검사를 통해 Lot불량을 검출하여 수율을 증가시키고 제조당시의 제품수준을 DATA로 저장하여 품질 Issue 발생시 제조당시 제품수준을 고객사로 공유할 수 있어서 1석2조의 방법으로 생각됩니다.
2-2. 각 공정별 SPC값 도출후 정상품과 부적합품 차이점 검토
후공정의 불량 고장모드를 검토하여 영향성이 있다고 추정되는 이전 공정들의 단계별 SPC값 도출 후 정상품과 부적합품의 차이점 비교하여 공정관리기준을 개선하여 일부 수율을 증가할수 있는 방법이며 완전한 개선을 위해선 설계변경 또는 검사항목이 추가될 수 있습니다.
2-3. 소재들의 추가첨가제 반영
제품의 도전성이 확보되면서 안정한 구조를 형성하기 위해 추가첨가제의 비율을 고려한 후 반영하여 안정성을 증가시키는 방법입니다.
2-4. 신공법 적용
신공법 적용시 자동화를 반영하여 인건비를 줄이거나 제조설비의 고도화를 통해 부적합품 발생빈도를 줄이고 원가절감을 할 수 있는 방법입니다.
2-5. 제조설비의 증설
제조설비의 공정조건 변경이 어려운경우 CAPA를 만족하기 위해 증설하는 방법입니다. 예를 들어 스태킹 공정의 경우 Z-Folding시 속도를 증가하였을때 수율이 감소할 수 있으므로 CAPA를 만족하기 위해 Z-Folding의 속도가 최적화된 설비를 증설하여 CAPA를 만족하면서 수율을 유지 또는 증가할 수 있는 방법입니다.
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