리튬 이온 배터리는 어떻게 만들어질까?

① 염호 증발 방식#

칠레, 아르헨티나, 볼리비아로 이어지는 남미의 ‘리튬 삼각지대’가 대표적이다. 이 지역의 고산지대 소금 호수 지하에는 리튬이 녹아있는 고농도의 소금물(염수)이 매장되어 있다.

• 추출 과정: 이 소금물을 지상으로 펌프질해 올려 거대한 증발지에 가둔다. 그 후 수개월에서 1년 넘게 뜨거운 태양광과 바람으로 물을 증발시키면 끈적한 리튬 농축액이 남는다. 가성비가 좋지만 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

② 경암(Hard Rock) 광산 방식#

호주와 중국 등의 광산에 묻혀 있는 ‘스포듀민(Spodumene, 리튬 휘석)’이라는 단단한 돌을 채굴하는 방식이다.

• 추출 과정: 광산에서 캐낸 돌을 잘게 부순 뒤, 섭씨 1,000도가 넘는 고온으로 구워내고 산(Acid)을 부어 화학적으로 리튬 성분만 빨아낸다. 속도가 빠르지만 에너지가 많이 들고 비용이 비싸다.

이렇게 얻은 원시 리튬은 화학 가공 공장으로 보내져 배터리에 쓸 수 있는 ‘탄산리튬’이나 ‘수산화리튬’ 형태의 하얀 가루(화학물질)로 정제된다.

❶ 양극재(Cathode) 제조#

양극재는 배터리가 처음 만들어질 때 리튬 이온을 품고 있는 고향이자 에너지를 저장하는 창고다. 배터리의 전반적인 ‘용량’과 ‘전압’을 결정하는 가장 비싼 핵심 소재다.

• 역할: 노트북을 충전할 때는 리튬 이온을 음극으로 내보내고, 노트북을 사용할 때는 다시 리튬 이온을 받아들이는 안착처 역할을 한다.

• 존재 이유: 리튬은 혼자 있으면 너무 불안정해서 폭발한다. 따라서 니켈, 코발트, 망간 같은 금속들과 산소가 결합한 안정적인 격자 구조(집) 안에 리튬을 안전하게 붙잡아 두기 위해 양극재가 필요하다. 니켈 비중이 높을수록(High-Nickel) 리튬을 더 많이 가둘 수 있어 배터리 용량이 늘어난다.

양극재는 정제된 리튬 가루를 니켈($\text{Ni}$), 코발트($\text{Co}$), 망간($\text{Mn}$) 등의 금속 가루와 정밀한 비율로 섞어 고온에서 구워낸다. 이 양극재를 얇은 알루미늄 호일(알루미늄박)에 풀처럼 바르고 바짝 말리는 공정을 거친다.

❷ 음극재(Anode) 제조#

음극재는 충전 시 양극에서 탈출해 건너온 리튬 이온과 전자를 저장하는 방이다. 배터리의 ‘충전 속도’와 ‘수명’을 결정한다.

• 역할: 충전기를 꽂으면 넘어오는 리튬 이온을 자기 내부 구조 속에 촘촘히 들이민다. 주로 벌집 모양의 층상 구조를 가진 흑연(Graphite)을 사용한다.

• 존재 이유: 만약 음극재라는 안정적인 방이 없다면, 넘어온 리튬 이온과 전자들이 음극 표면에 무질서하게 엉겨 붙어 뾰족한 금속 가시(덴드라이트)를 형성한다. 이 가시가 배터리를 뚫고 나와 폭발을 유도하기 때문에, 리튬을 분자 단위로 차곡차곡 안전하게 가두어 둘 흑연 그물망(음극재)이 필수적이다.

리튬 이온 배터리가 전기를 저장할 수 있는 이유라는 글에서 언급한 전자를 가두는 방, 음극재. 주로 흑연(탄소) 가루를 사용하며, 이를 얇은 구리 호일(동박)에 고르게 발라 준비한다.

❸ 조립 (Assembly) 및 패키징#

이제 에너지를 주고받을 판들이 준비되었다.

• 양극재를 바른 알루미늄 판, 전자가 통과하지 못하게 막는 얇은 비닐 같은 분리막, 음극재를 바른 구리 판을 차곡차곡 샌드위치처럼 겹친다.

• 이 긴 샌드위치 판을 돌돌 말거나(원통형·형 파우치형) 겹겹이 쌓아서 배터리 케이스(노트북의 경우 얇은 알루미늄 파우치) 안에 집어넣는다.

❹ 주액 및 활성화 (Formation)#

케이스 내부에 리튬 이온이 이동할 수 있는 통로인 액체 전해질을 주입하고 밀봉한다. 마지막으로 이 배터리에 처음으로 강한 전기를 걸어 충전과 방전을 반복하는 ‘활성화’ 과정을 거친다. 이 과정에서 배터리 내부의 화학 구조가 안정화되며 마침내 우리가 아는 전력을 저장할 수 있는 배터리 셀이 완성된다.