NMC 양극재에 알루미늄을 도핑하면 열 안정성과 수명이 좋아진다는 건 업계에 잘 알려진 사실이다. 문제는 ‘어떻게 섞느냐’다. 벨기에 소재기업 유미코아(Umicore)의 미국 등록특허 US9543581B2(“Alumina Dry-Coated Cathode Material Precursors”)는 액체 공정을 아예 생략하고, 가루 상태 그대로 알루미늄을 입히는 건식 코팅법을 제시한다.
무엇이 화제인가 — 액체 공정은 폐수를 남긴다
NMC 전구체(니켈·망간·코발트가 섞인 수산화물)에 알루미늄을 도핑하는 전통적인 방법은 공침(coprecipitation)이다. 금속 황산염 용액에 알칼리를 넣어 침전시키는 과정에서 알루미늄염까지 함께 녹여 넣는 방식인데, 이 액상 공정은 대량의 폐수와 부산물을 남기고, 알루미늄이 입자 전체에 고르게 섞이기보다 특정 위치에 뭉치는 불균일 문제도 생길 수 있다. 유미코아는 이 액상 단계를 통째로 건너뛰는 길을 택했다.
기본 원리 — 가루에 가루를 입힌다
이 특허의 공정은 이렇다. 먼저 전이금속 수산화물 또는 옥시수산화물(M(OH)₂ 또는 MOOH) 전구체 분말을 준비하고, 여기에 나노 크기의 산화알루미늄(Al₂O₃) 분말을 헨셸형 고속믹서에 넣어 750~3000rpm으로 수십 분간 강하게 교반한다. 이 기계적 힘만으로 미세한 알루미나 입자가 전구체 입자 표면에 고르게 들러붙어 얇은 코팅층을 형성한다. 이후 이를 리튬 소스와 함께 소성하면, 소성 과정에서 알루미늄이 전구체 표면에서부터 내부로 확산해 들어가며 도핑이 완성된다. 액체도, 폐수도 없이 순수 건식 공정만으로 도핑이 끝나는 셈이다.
비교 — 공침 도핑 vs 유미코아 건식코팅
| 구분 | 기존 공침(습식) 도핑 | 유미코아 알루미나 건식코팅(US9543581B2) |
|---|---|---|
| 도핑 방식 | 금속염 용액에서 함께 침전 | 고속 교반으로 알루미나 분말을 표면 부착 |
| 폐수·부산물 | 발생(황산염 폐액 등) | 액상 공정 없어 대폭 감소 |
| 알루미늄 분포 | 불균일 위험(국소 뭉침) | 표면 균일 코팅 후 소성 확산으로 개선 |
| 알루미늄 도핑 수준 | 공정별 상이 | 10, 15, 20mol% 등 다양한 수준 실험 검증 |
특허 관점 — 청구항의 핵심
독립항은 ①전이금속 수산화물 또는 옥시수산화물 입자를 준비하고, ②이 입자 표면에 나노 크기 산화알루미늄 입자를 건식 혼합 공정(고속 교반)으로 부착시켜 알루미나 코팅층을 형성하는 방법을 청구했다. 종속항에서는 이 코팅 전구체를 리튬 소스와 혼합해 소성함으로써 최종 리튬 전이금속 산화물(LiMO₂)을 얻는 후속 단계, 그리고 이렇게 얻어진 양극재의 XRD 회절 패턴에서 특정 피크 형태를 규정하는 물성 조건까지 결합했다. 화학 조성 자체보다 ‘어떤 물리적 방식으로 도핑 원소를 붙이는가’라는 공정 순서를 청구항의 핵심으로 삼았다는 점에서, 앞서 다룬 테슬라의 재순환 소성 공정 특허와 유사한 사고방식을 보여준다.
한계와 전망
건식 코팅 공정은 설비 투자와 대량화 측면에서 이점이 있지만, 코팅 균일도를 대형 배치에서도 일관되게 유지하는 것이 관건이다. 유미코아는 이 특허를 시작으로 질산염 기반 공정(WO2018167224A1), 재활용 원료를 활용한 전구체 제조 공정(EP4288574A1) 등 전구체 제조법 전반에 걸쳐 폭넓은 특허 포트폴리오를 구축해왔다. 배터리 산업의 ‘보이지 않는 곳’인 소재 전구체 단계에서도, 화학 조성 못지않게 제조 공정 자체가 치열한 특허 경쟁의 무대가 되고 있음을 보여주는 사례다.