🔋 02. 전구체 원재료 용액 제조 공정

 

🧪 1. 서론: 공침 전구체 원재료 용액 제조 공정 개요

• 리튬이온 배터리 양극 활물질 전구체 합성에서 원재료 용액 제조는 가장 기초적이면서도 중요한 단계입니다.
• 제조된 용액의 품질과 균일성이 후속 공침 공정 및 최종 배터리의 성능, 수명, 안전에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 특히 전기차(EV)와 에너지 저장 시스템(ESS) 시장 성장으로 고에너지 밀도 배터리 수요가 늘면서 하이 니켈계 양극재의 중요성이 커지고 있습니다.
• 하이 니켈계 양극재는 높은 에너지 밀도를 제공하며, 이를 위한 전구체 제조의 첫 단계인 원재료 용액 제조 공정의 이해와 최적화가 필수적입니다.
• 하이 니켈계 전구체는 NMC, NCA 등 다양한 조성을 가지며, 배터리의 성능 목표에 따라 신중하게 설계됩니다.
• 공침법은 이러한 하이 니켈계 전구체 제조에 널리 사용되며, 원자 수준의 균일한 혼합을 제공합니다.
• 원재료 용액 제조는 원하는 조성을 갖는 금속 이온을 용매에 정확하게 용해시켜 공침 반응에 적합한 용액을 준비하는 과정으로, 고품질 전구체 생산의 가장 중요한 기반입니다.

🔩 2. 주요 메탈 특성 및 조성 설계

하이 니켈계 전구체의 조성을 설계하는 것은 배터리 성능 최적화에 핵심적입니다. 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)은 주요 금속 성분으로 각기 다른 특징을 가집니다.

• 니켈(Ni): 에너지 밀도(용량)를 높이는 데 가장 중요합니다. 니켈 함량이 높을수록 에너지 저장량이 커져 EV 주행 거리 증가에 유리합니다. 하지만 니켈 함량 증가는 구조적 안정성을 저하시켜 수명 단축 및 안전 문제를 유발할 수 있습니다. 높은 충전 상태 및 고온에서 불안정해져 성능 저하의 원인이 됩니다.
• 코발트(Co): 재료 안정성 향상 및 리튬 이온 확산을 용이하게 하여 수명과 충전 속도 개선에 기여합니다. 니켈과의 혼합을 줄이는 데도 도움을 줄 수 있습니다. 하지만 가격이 비싸고 수급이 불안정하여 제조 비용 상승의 주요 원인이 됩니다. 코발트 사용량 절감 또는 미사용 양극재 개발 연구가 활발히 진행 중입니다.
• 망간(Mn): 코발트에 비해 저렴하며 열적 안정성과 안전성 향상에 도움을 줍니다. 안정적인 산화 상태(Mn⁴⁺)를 유지하는 경향이 있습니다. 그러나 니켈에 비해 전기화학적 활성이 낮아 에너지 밀도(용량)가 감소하는 단점이 있습니다. 전해액으로 용출되어 성능 저하를 유발할 수도 있습니다. 망간은 에너지 특성, 안전성, 비용 효율성 사이의 균형을 맞추는 데 중요합니다.
• 하이 니켈계 전구체 조성은 각 금속의 장단점을 고려하여 최적 비율로 설계됩니다. 최근에는 높은 에너지 밀도를 위해 니켈 함량을 높이는 추세이며, 60% 이상 함량이 일반적입니다 (예: NMC 811, Ni90+, Ni95+ 등).
• 하이 니켈계 전구체의 불안정성 해결 전략 중 하나는 농도 구배형 조성 설계입니다. 입자 내부(코어)는 니켈을 높여 용량 확보, 외부(쉘)는 망간을 높여 안정성을 향상시킵니다. 코어-쉘 간 조성 변화를 점진적으로 조절하는 구조는 더욱 향상된 성능을 제공합니다. 농도 구배 제어는 원재료 용액을 원하는 조성에 따라 순차적으로 정량 투입하는 기술을 필요로 합니다.

⚛️ 3. 몰 (Mole) 농도 개념 이해

화학 반응에서 물질의 양을 나타내는 기본 단위가 몰(mole)입니다.

• 몰은 아보가드로 수(약 6.022 × 10²³ 개/mol)만큼의 입자를 포함하는 물질의 양입니다.
• 몰 농도(Molarity, M)는 용액의 농도를 나타내는 단위로, 1L 용액에 녹아 있는 용질의 몰수(mol/L)를 의미합니다. 화학에서 용액 농도를 표현하는 데 널리 사용됩니다.
• 몰 농도는 용질 몰수를 용액 부피로 나누어 계산하며, 용질 몰수는 용질 질량을 몰 질량으로 나누어 구합니다. 따라서 몰 농도는 용질 질량, 몰 질량, 용액 부피와 관련됩니다.
• 용액의 비중과 순도를 알면 특정 계산식을 이용해 몰 농도를 계산할 수 있습니다.
• 하이 니켈계 전구체 조성 설계에서 몰 농도 개념은 목표 조성의 금속 이온 비율을 정확하게 제어하는 데 필수적입니다. 원하는 몰수를 계산하고, 이를 용해시켜 특정 몰 농도의 용액을 제조함으로써 최종 전구체의 화학량론적 조성을 정확하게 맞출 수 있습니다.
• 예를 들어 NMC 811 제조 시, 니켈, 망간, 코발트 이온이 8:1:1 몰 비율이 되도록 각 금속 염 몰수를 계산하여 용해해야 합니다.
• 몰 농도 개념의 정확한 이해와 활용은 원하는 조성과 균일한 품질의 전구체 생산에 매우 중요합니다.

➗ 4. 하이 니켈계 전구체 원재료 필요량 및 몰수 계산 예시

하이 니켈계 전구체 제조를 위한 원재료 용액 준비는 정밀한 계산을 요구합니다. 특히 코어와 쉘 조성이 다른 농도 구배형 전구체 제조 시 각 단계별 필요량을 정확히 계산해야 합니다.

• 코어 용액은 높은 니켈 함량을 목표로 황산니켈, 황산코발트 등을 주 원재료로 사용합니다.
• 쉘 용액은 열적 안정성을 위해 망간 함량을 높이는 경우가 많으며, 황산니켈, 황산코발트, 황산망간 등을 포함할 수 있습니다.
• 각 황산염 필요량 계산을 위해 목표 전구체의 전체 몰수와 각 원소 몰 분율을 결정해야 합니다.
• 예시 계산: 최종 전구체 1몰 기준 코어 Ni₀.₈Co₀.₂ (50%), 쉘 Ni₀.₆Mn₀.₂Co₀.₂ (50%) -> 최종 전구체 조성 Ni:Mn:Co = 70:10:20
• 각 황산염의 질량은 해당 원소의 몰수를 포함하는 황산염의 몰수를 통해 계산합니다. (황산니켈 육수화물, 황산코발트 칠수화물, 황산망간 일수화물 등의 몰 질량 활용)
• 몰 퍼센트는 각 원소 몰수를 전체 몰수로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 전구체 조성을 나타냅니다.
• 농도 구배형 전구체는 코어와 쉘 용액 조성을 다르게 설계하고 시간에 따라 순차적으로 투입하여 원하는 농도 구배를 형성합니다. 각 용액의 투입량과 속도 정밀 제어가 중요합니다.

📊 5. 공침 용액 농도 설계

공침 용액 농도는 전구체 양과 품질에 중요 영향을 미칩니다.

• 일반적으로 농도가 높을수록 단위 시간당 더 많은 전구체가 생성됩니다. 반응물(금속 이온) 농도가 높으면 공침 반응이 더 빠르게 진행됩니다.
• 하지만 농도를 무한정 높일 수는 없습니다.
• 특정 하이 니켈계 전구체의 경우 약 2.0 mol 농도가 일반적 기준으로 제시되기도 하지만, 실제로는 목표 전구체 조성, 입자 크기, 형태, 생산량 등을 종합적으로 고려하여 최적 농도를 결정해야 합니다.
• 과도한 농도 상승은 용액 불안정성을 야기하여 원치 않는 부산물 용출 위험을 증가시키고 전구체 순도를 저하시킬 수 있습니다.
• 공침 용액 농도는 전구체 생산량 증대와 용해도, 반응 조건, 제품 품질 사이의 최적점을 찾아 신중하게 설계되어야 합니다. 실험 연구를 통해 다양한 농도 조건에서 얻어진 전구체 특성을 분석하고 최적 농도 범위를 설정하는 것이 중요합니다.

⚖️ 6. 원재료 투입량 결정 및 용액 제조

전구체 제조를 위한 원재료 투입량은 여러 요인을 종합적으로 고려하여 결정됩니다.

• 반응기 부피: 공침 반응기 최대 용량을 초과하지 않도록 모든 투입 용액(황산염, 가성소다, 암모니아 등)의 총량을 설정해야 합니다.
• 가성소다 및 암모니아: pH 조절, 금속 이온과 착물 형성, 반응 속도 및 입자 형태 제어에 중요한 역할을 합니다. 투입량은 목표 pH, 금속 이온 농도, 원하는 전구체 특성에 따라 결정됩니다. 가성소다는 침전 유도, 암모니아는 침전 속도 완화 및 균일 입자 성장을 돕습니다.
• 균일 투입: 매 배치(batch)별 일정한 양의 원재료를 투입하는 것이 균일한 품질 전구체 생산에 매우 중요합니다. 투입량 변동은 조성, 입자 크기, 형태 등에 영향을 미쳐 최종 배터리 성능 편차를 유발합니다. 각 배치마다 정확하게 계량된 원재료를 동일한 방법과 순서로 투입하는 것이 필수적입니다. 자동화 시스템 활용 시 균일성 확보에 효과적입니다.
• 용액 제조 과정: 필요한 양의 금속 황산염을 계량 후 용해 탱크에 투입합니다. 용매로는 탈이온수가 사용됩니다. 교반기를 사용해 완전히 용해되도록 혼합하며, 필요시 가열합니다. 약 2시간 혼합을 목표로 합니다. ICP 분석, 비중계 등을 통해 용액의 조성과 농도를 검증합니다. 검증된 용액은 반응기 투입 전 피드 탱크에 보관됩니다.

📦 7. 전구체 제조용 원재료 형태 및 특징

전구체 제조에 사용되는 원재료는 주로 고상과 액상 두 가지 형태로 나뉩니다. 과거에는 고상 원재료가 주로 사용되었으나 최근에는 액상 원재료 사용이 증가 추세입니다.

• 고상 원재료: 주로 금속 황산염 수화물 형태로 제공됩니다 (예: 황산니켈 육수화물, 황산코발트 칠수화물, 황산망간 일수화물). 과거에는 이를 직접 물에 용해하여 용액을 제조했습니다. 용해 시간이 오래 걸리고 작업자의 투입 공수가 많다는 단점이 있었습니다.
• 액상 원재료: 금속이 이미 용해된 형태로 제공됩니다 (예: 니켈 용액, 니켈-코발트 혼합 용액). 최근에는 폐전지나 스크랩에서 재활용된 액상 원재료 사용이 증가하고 있습니다. 액상 원재료는 고상에 비해 용해 시간이 짧고 작업자 공수 절감이 가능합니다. 또한, 재활용된 액상 원재료는 메탈 원석 기반 고상 원재료보다 저렴하여 가격 경쟁력 확보에 유리합니다.
• 최근 원재료 사용 추세는 가격 경쟁력을 위해 재활용 액상 원재료를 주 원료로 사용하고, 일부 고상 원재료를 소량 사용하여 원하는 조성으로 미세 조정하는 방식이 늘고 있습니다. 이는 환경적 측면에서도 긍정적이며 지속 가능한 배터리 재료 공급망 구축에 기여합니다.

🏭 8. 용액 제조 공정

원하는 조성과 농도의 원재료 용액을 제조하는 공정은 여러 단계로 이루어집니다.

• 원재료 계량 및 투입: 목표 전구체 조성과 최종 용액 농도에 따라 필요한 고상 또는 액상 원재료를 정확하게 계량하여 용해 탱크에 투입합니다. 정밀 전자 저울, 눈금 실린더, 자동 액체 분배 시스템 등을 활용합니다.
• 용해 및 혼합: 계량된 원재료가 투입된 탱크에 용매인 탈이온수를 첨가하고 교반기를 작동시켜 완전히 용해되도록 혼합합니다. 순환 펌프 설치나 가열을 통해 용해 속도를 높이기도 합니다. 일반적으로 약 2시간 혼합을 목표로 합니다.
• 용액 검증: 완전히 용해된 용액의 조성을 확인하기 위해 ICP 분석을 실시하여 각 금속 원소 농도를 정확히 측정하고 목표 조성과 일치하는지 확인합니다. 비중계를 사용하여 용액 비중을 측정하고 농도를 간접적으로 확인합니다.
• 피드 탱크 이송: 조성과 농도가 검증 완료된 용액은 공침 반응기 투입 전까지 보관 탱크인 피드 탱크로 이송됩니다. 피드 탱크는 반응기에 안정적으로 용액을 공급하며, 오염 방지를 위해 청결하게 관리되어야 합니다.

✅ 9. 결론 및 다음 공정 예고

원하는 조성과 농도를 갖는 원재료 용액을 제조하는 것은 하이 니켈계 전구체 합성의 첫 번째 단계이자 성공적인 합성을 위한 필수적인 기반 작업입니다. 이 단계에서 정확한 계량, 완전한 용해, 균일한 혼합, 철저한 검증이 이루어져야만 후속 공정에서 원하는 품질의 전구체를 얻을 수 있습니다.

 

다음 공정으로는 제조된 원재료 용액을 사용하여 전구체 입자를 합성하는 '공침 반응'이 진행될 예정입니다. 공침 반응은 금속 이온들이 함께 침전되어 고체 입자를 형성하는 과정으로, pH, 온도, 반응 시간, 교반 속도 등 다양한 조건들이 전구체 특성에 큰 영향을 미칩니다. 다음에는 이러한 공침 반응의 상세 메커니즘과 최적 반응 조건 설정 방법에 대해 심도 있게 다룰 예정입니다.

 

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