중국: 배터리 전구체 기술? 

“중국 배터리 전구체?”라는 말을 들으면 가장 먼저 떠오르는 것은 수량, 가격, 어쩌면 카피일 수도 있습니다. 그러나 지난 5~7년 동안 상황은 훨씬 더 복잡해졌습니다. 많은 사람들은 여전히 ​​여기서는 모든 것이 단순하다고 생각합니다. 서양 특허를 가져와 규모를 확대하면 완료됩니다. 실제로 가치사슬, 특히 리튬이온 소재와 신형 고체시스템 분야를 파헤쳐보면 중국 업체들은 더 이상 '만들기'만 하지 않는다는 것을 알 수 있다. 그들은 프로세스 비용이 높기 때문에 서양에서는 막다른 골목으로 간주되었던 방향으로 R&D를 적극적으로 수행하고 있습니다. 그러나 이에 대해서는 나중에 더 자세히 설명합니다.

에서? 중국산? "designed in China"로: 접근 방식의 진화

이전에는 약 10년 전에는 실제로 리버스 엔지니어링을 기반으로 많은 것이 구축되었습니다. 코발트산리튬(LCO), NMC(니켈망간코발테이트) 샘플을 구입하여 분해하고 반복해 보았습니다. 그러나 정당의 순수성과 안정성은 끊임없는 악몽이었습니다. 2015~2016년에 창사 현장 중 한 곳에서 기술자들과 나눈 대화가 한 가지로 요약되었던 기억이 납니다. "매개변수는 사양에 따른 것 같은데, 출력 배터리의 용량 변화는 5~7%인가요?" 문제는 공식에 있는 것이 아니라 전구체 합성의 미묘함, 즉 입자 크기, 형태 및 불순물 함량을 ppm 수준으로 제어하는 ​​것이었습니다.

이러한 변화는 CATL, BYD 등 주요 배터리 제조업체가 화학 성분뿐만 아니라 소재의 기능적 특성에 대해서도 엄격한 요구 사항을 부과하기 시작하면서 시작되었습니다. 그들은 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 분말뿐만 아니라 완성된 음극에서 더 나은 이온 전도성을 제공할 특정 다공성을 가진 재료가 필요했습니다. 이로 인해 전구체 공급 회사는 실험실과 파일럿 라인에 투자해야 했습니다. 여기서 우리는 더 이상 복사에 대해 이야기하는 것이 아니라 탄수화물 환원, 열수 합성, pH와 온도를 정밀하게 제어하는 ​​공침 방법 등 프로세스를 직접 맞춤화하는 것에 대해 이야기하고 있습니다.

흥미로운 사례는 NMC 811(니켈 함량이 높음)용 체인 개발입니다. 높은 에너지 밀도를 추구하는 것은 분명하지만 니켈과 함께 문제도 커집니다. 열 안정성이 감소하고 층상 구조에서 양이온이 이동합니다. 중국 엔지니어들은 합금화(알루미늄, 마그네슘 첨가) 경로를 따랐을 뿐만 아니라 전구체 입자의 경사 코팅 실험도 시작했습니다. 코어에는 용기용 니켈이 풍부하고 외부 층에는 안정성을 위해 망간 또는 코발트가 풍부해졌습니다. 이를 위해서는 전구체 합성 단계에서 정밀한 제어가 필요합니다. 저는 쓰촨(Sichuan)에 있는 한 공급업체의 샘플을 보았습니다. 당시(2년 전) 파일럿 라인의 수율은 약 65%로 끔찍할 정도로 낮았지만 다단계 증착에 대한 그들의 접근 방식은 정말 인상적이었습니다.

진짜 어려움이 있는 곳: 화학이 아니라 공학

많은 사람들이 화학 공식에 초점을 맞추고 있지만 현재 주요 전투는 화학 공학과 확장입니다. 실험실에서는 올리브 구조를 가진 LFP(인산철리튬)의 우수한 전구체 1kg을 얻을 수 있습니다. 그러나 한 달에 최대 10톤까지 확장하려고 하면 입자 응집, 합금 원소의 고르지 않은 분포, 부피 밀도 변동 등 기적이 시작됩니다. 이는 프로젝트의 경제성을 떨어뜨립니다.

여기에서 중국 기업은 유연성과 반복 속도라는 강점을 보여주기 시작했습니다. 그들은 종종 대규모의 일회성 공장을 갖고 있지 않습니다. 신속하게 재구성할 수 있는 모듈형 파일럿 라인이 있습니다. 친숙한 기술자청두 Yizhi 기술 유한 회사(이것은 Huaxi Technology가 설립한 설계 연구소입니다.) 유럽의 한 고객이 제품의 허용 가능한 순도에 도달하기 전에 황화물 전해질 전구체(전고체 배터리용) 합성을 위해 세 가지 다른 반응기 구성을 시도했다고 말한 적이 있습니다. 그들의 웹사이트yzkjhx.ru세부 사항에는 다소 인색하지만 프로젝트 설명을 보면 턴키 프로세스 개발에 깊이 관여하고 있음이 분명합니다. - 실험실에서 상업 생산까지.

또 다른 아픈 점은 원자재입니다. 코발트와 리튬 수입에 대한 의존도는 사라지지 않았습니다. 따라서 두 가지 방향으로 엄청난 노력을 기울이고 있습니다. 첫째, 2차 원자재를 최대한 활용하기 위한 심도 있는 가공과 재활용입니다. 둘째, 이러한 의존성을 줄이는 재료를 개발하는 것입니다. 나트륨 이온 배터리는 최근 몇 년 동안 획기적인 기술로 간주될 수 있습니다. 그리고 여기서 중국은 원소 생산뿐만 아니라 이를 위한 전구체 사슬(예: 층상 산화물 또는 다가음이온 화합물)을 생성하는 데에서도 주도권을 잡으려고 노력하는 것 같습니다. CATL은 이미 상용 제품을 발표했습니다. 그러나 전구체에 관해 이야기하면 핵심 과제는 안정성과 저렴한 합성 비용입니다. 실험실에서 성공을 거두었지만 톤수 배치는 어떤 모습일까요? 답변보다 여전히 더 많은 질문이 있습니다.

전고체 배터리: 새로운 종족과 전구체의 오래된 문제

지금 가장 흥미롭지만 어두운 부분이 바로 여기에 있습니다. 모두가 고체 배터리(SSB)를 성배라고 말합니다. 그러나 과대 광고에서 벗어나면 주요 기술 문제는 인터페이스입니다. 고체 전해질(황화물, 산화물, 고분자)과 전극 재료는 완벽하게 접촉해야 합니다. 그리고 이것은 다시 전구체로 귀결됩니다.

황화물 전해질(예: Li₂S~P₂S₅시스템) 우리는 고순도 전구체가 필요하며 합성은 완전히 불활성 분위기에서 이루어져야 합니다. 산소와 습기는 모든 것을 죽입니다. Chengdu Yizhi Technology Institute와 같은 중국 기업은 산업 규모의 고상 합성 및 기계적 합금화 방법을 적극적으로 연구하고 있습니다. 그러나 주요 걸림돌은 전해질 자체의 합성이 아니라 복합 음극용 전구체 생성입니다. 이온 전도성 매트릭스를 생성하려면 활성 물질(예: NMC)을 황화물 전해질 입자에 균일하게 증착해야 합니다. 표준 혼합 방법은 작동하지 않습니다. "데드 존"이 생성됩니다. 해결책은 합성 단계에서 원하는 구조가 현장에서 형성되는 특수 전구체의 개발에서 볼 수 있습니다. 대량생산에 적합한 원자층증착(ALD) 기술을 활용하려는 시도가 있다는 얘기를 들은 적이 있지만 아직까지는 비용이 많이 들고 속도가 느리다.

소수의 사람들이 이야기하는 실패한 시도는 LLZO(리튬 란탄 지르코늄 산화물)와 같은 산화물 전해질에 대한 초기 프로젝트입니다. 이 재료는 유망하지만 전구체에는 고온 소결(1200°C 이상)이 필요합니다. 그들은 합성을 시도했지만 엄청난 에너지 소비와 리튬의 화학량론 제어 문제에 직면했습니다. 리튬은 그러한 온도에서 단순히 증발합니다. 결과적으로 많은 스타트업이 이러한 영역을 축소하거나 동결하여 황화물 또는 하이브리드 시스템으로 전환했습니다. 이는 전구체 수준에서 극복할 수 없는 엔지니어링 및 경제적 장벽에 직면한 아름다운 실험실 화학의 좋은 예입니다.

미래를 바라보다: 체인 통합과 생태학

결정적인 추세는 수직적 통합이다. CATL이나 Gotion High-Tech와 같은 대형 플레이어는 더 이상 전구체를 구매하는 데 그치지 않고 제조업체와 합작 투자에 투자하거나 자체 시설을 건설합니다. 무엇을 위해? 원자재부터 완성된 전극까지 전체 체인을 제어합니다. 이를 통해 특정 셀 아키텍처(예: 정제 또는 백 셀)에 대한 매개변수를 정밀하게 최적화할 수 있습니다.

두 번째 큰 주제는 환경친화성입니다. 유럽 ​​규제 기관은 오랫동안 탄소 배출량과 책임 있는 조달이라는 주제에 대해 압력을 가해 왔습니다. 중국 공급업체에게 이는 위협일 뿐만 아니라 기회이기도 합니다. 많은 사람들이 자신의 공정을 인증하기 시작하고, 전구체 생산에 용매 재활용 시스템을 도입하고, "친환경" 시스템을 연구하는 것을 봅니다. 합성 방법 - 예를 들어 독성이 덜한 환원제를 사용하거나 수성 환경에서 사용합니다. 이는 더 이상 PR이 아니라 글로벌 시장 진출을 위한 절실한 필수 요소입니다. Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd.는 등록 자본금 1억 2천만 위안과 디자인 연구소 자격을 갖추고 있으며, 고객에게 단순한 제품이 아니라 계산된 환경 및 경제적 균형을 갖춘 기술을 제공할 수 있는 회사 중 하나입니다.

그리고 마지막으로 한 가지. "킬러"를 기대해서는 안됩니다. 전구체 화학의 획기적인 발전. 순도는 0.5% 향상되고, 합성 비용은 3% 감소하며, 공기 중 물질의 보관 수명이 늘어나는 등 점진적인 발전이 있을 것입니다. 수천 개의 매개변수 제어, 파일럿 라인의 반복, 확장 문제 해결 등 힘들고 눈에 보이지 않는 작업이 바로 이 분야에서 중국의 리더십이 현재와 미래에 달려 있습니다. 그들은 이미 프로세스 엔지니어링 분야에서 모방자에서 심각한 경쟁자로 변모했습니다. 다음 단계는 아마도 소재 자체의 디자인에 있어 트렌드세터가 되는 것이지만 이를 위해서는 근본적인 발견이 필요합니다. 그리고 그것은 일정대로 일어나지 않습니다.