배터리 핵심 소재 전해 동박(Electrolytic Copper Foil) : 제조 방법 및 공정 이해하기

🔋 동박(Copper Foil)의 역할
동박은 리튬이온 배터리에서 음극의 핵심적인 전류 수집체(Current Collector)로서 중요한 역할을 합니다. 특히, 동박의 전기전도성과 기계적 강도는 배터리 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 동박은 일반적으로 **전해 동박(Electrolytic Copper Foil)**과 **압연 동박(Rolled Copper Foil)**로 구분되며, 각각의 제조 방식은 동박의 특성과 응용에 영향을 미칩니다. 전해 동박은 특히 배터리에서 널리 사용되며, 높은 전도성과 얇은 두께로 인해 리튬이온 배터리에서 주로 채택됩니다.

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1. 동박 제조 방법

동박은 크게 두 가지 방식으로 제조됩니다.

1-1. 전해 동박(Electrolytic Copper Foil)

전해 동박은 구리 이온을 포함한 전해질에서 구리를 음극에 증착시켜 만드는 방식입니다. 이 공정에서는 티타늄 드럼이 사용되며, 구리 이온이 드럼에 증착되면서 얇고 균일한 구리층이 형성됩니다. 이 방식은 얇은 구리층을 빠르고 안정적으로 생성할 수 있어 리튬이온 배터리의 성능을 극대화할 수 있습니다.

1-2. 압연 동박(Rolled Copper Foil)

압연 동박은 두꺼운 구리판을 반복적으로 압연하여 얇게 만드는 방식입니다. 물리적 강도는 우수하지만, 균일성이 상대적으로 떨어질 수 있습니다. 그러나 강한 기계적 특성을 요구하는 배터리 셀에 적합합니다.

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2. 전해 동박의 제조 공정과 기능

전해 동박은 주로 전기화학적 공정을 통해 제조됩니다. 고순도의 구리 이온을 전해질에서 음극에 증착시키는 과정을 거쳐 얇고 균일한 구리층을 형성하며, 이는 리튬이온 배터리와 같은 고성능 제품에 적합합니다.

1-1. 🔬 용해 공정 (Dissolving)

고품질 구리를 선택하여 이를 산에 녹여 구리 전해액을 만듭니다. 이 전해액에 첨가제를 첨가해 구리의 기계적 특성을 조절하며, 이를 통해 다양한 두께(3µm에서 500µm까지)의 동박을 제조할 수 있습니다. 이 과정은 구리의 순도와 청결도가 매우 중요합니다.

1-2. ⚙️ 전해 증착 공정 (Plating-Copper to Foil)

구리 전해액은 필터링 시스템을 거쳐 대형 도금 탱크로 펌핑됩니다. 이 도금 탱크에는 부분적으로 침지된 티타늄 드럼이 있으며, 드럼이 회전하면서 구리 이온이 드럼에 증착됩니다. 이때 드럼 표면에는 매끄럽고 광택이 있는 구리층이 형성되며, 반대쪽은 거친 표면으로 나타나 전해 동박의 마이크로 결정 구조가 형성됩니다. 이 과정에서 동박의 두께와 품질을 세밀하게 제어할 수 있습니다.

1-3. 🌿 표면 처리 공정 (Surface Treating Process)

제조된 구리 동박은 화학적 및 전기화학적 처리를 거칩니다. 이 과정에서 동박 표면의 거칠기를 조정하거나 Black processing 등을 통해 다양한 Cell의 요구사항에 맞춰 처리됩니다. 또한, 표면을 레진 시스템으로 처리하여 접착성을 향상시키고, 부식 방지 코팅을 통해 동박이 장기 보관 중에 부식되는 것을 방지합니다.

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3. 전해 동박의 요구 특성

🔍 전해 동박은 단순한 전도성 외에도 여러 특성을 갖춰야 합니다.

• 부식 저항성: 구리 동박은 배터리의 전해질과 접촉하면서 부식될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 동박의 표면 처리와 코팅이 필수적입니다. 
• 기계적 안정성: 동박은 충전 및 방전 과정에서 발생하는 기계적 변형을 견뎌야 하며, 이를 통해 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 또한, "코팅과 압연공정"에서 가해지는 고장력을 버텨야 할뿐만 아니라 Cutting 공정에서 깔끔하게 컷팅되어야하기때문에 동박의 강도와 연신 특성의 적절한 조화가 필요합니다.
• 전도성과 표면 거칠기: 표면 거칠기를 제어하여 동박의 전기적 성능을 높이고 배터리 내의 접착력을 강화할 수 있습니다. 낮은 거칠기의 동박은 특히 전도성과 부식 저항성에서 우수한 성능을 발휘합니다.

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결론

⚡ 전해 동박은 리튬이온 배터리에서 핵심적인 전류 수집체로, 그 제조 공정과 표면 처리는 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 특히, 전해 동박은 표면 거칠기 조절과 비대칭 압연을 통해 뛰어난 내구성과 성능을 제공하며, 향후 전기차 및 고성능 배터리 기술에서 중요한 역할을 할 것입니다.
 
 

 
 
▶ 참고 문헌
-. Linkedin:  https://www.linkedin.com/pulse/electrodeposited-copper-foil-manufacturing-%E7%A4%BC-%E6%9D%8E
-. Jingqi Chen et. al. Rolled electrodeposited copper foil with modified surface morphology as anode current collector for high corrosion resistance in lithium-ion battery electrolyte, Surface and Coatings Technology, 421,127369 (2021)
ISSN 0257-8972, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127369.
-. Jianli Zhang et. al., Effects of Electrolytic Copper Foil Roughness on Lithium-Ion Battery Performance, Metals , 12(12), 2110 (2022); https://doi.org/10.3390/met12122110