[배터리완전정복](30)테슬라도 완성못한 건식전극, LG엔솔이 먼저 내놓나

편집자주지금은 배터리 시대입니다. 휴대폰·노트북·전기자동차 등 거의 모든 곳에 배터리가 있습니다. [배터리 완전정복]은 배터리에 대해 알고 싶어하는 일반 독자, 학생, 배터리 산업과 관련 기업에 관심을 가진 투자자들에게 배터리의 기본과 생태계, 기업 정보, 산업 흐름과 전망을 알기 쉽게 전달하기 위해 만든 코너입니다. 매주 토요일에 여러분을 찾아갑니다.

이달 초 서울 강남 코엑스에서 열린 '인터 배터리 2024'에서 주목받은 콘퍼런스가 하나 있었다. 독일 프라운호퍼 소재·광선기술연구소(IWS)의 건식 전극(dry electrode)에 대한 발표였다. 별다른 홍보가 없었음에도 강연장엔 자리가 부족할 정도로 청중이 가득 찼다.

이는 최근 건식 전극 기술 동향에 대한 발표나 강연에서 동일하게 나타나고 있는 모습이다. 건식 전극은 차세대 배터리 주요 트렌드로 빠지지 않는 인기 주제가 됐다.

건식 전극에 대한 관심이 높아진 것은 테슬라가 2020년 9월 열린 배터리데이에서 4680 원통형 배터리에 이 기술을 도입하겠다고 발표하면서부터다. 그로부터 4년이 흘렀지만 테슬라는 아직도 건식 전극을 완성하지 못했다. 그만큼 어려운 기술이라는 얘기다.

올해 8월부터 원통형 4680 배터리를 양산하겠다고 발표한 LG에너지솔루션 역시 처음엔 건식이 아닌 기존 습식 공정(wet electrode)으로 생산한다. 다른 46파이(지름 46mm) 원통형 배터리 기업들 역시 아직 상용화 수준의 건식 전극을 개발하지 못했다.

건식 전극은 배터리의 생산성을 높이고 에너지 용량을 확대할 수 있을 뿐 아니라 친환경적 기술로 평가받고 있다. 후막 전극, 전고체 배터리에도 적용할 수 있을 것으로 기대되는 팔방미인이다.

배터리 소재 분야에서는 선두 기업 간 기술력이 상향 평준화되고 있다. 중국 CATL도 한국 배터리 기업의 강점이라 여겨졌던 NCM(니켈 ·코발트·망간) 등 삼원계 배터리 기술을 빠르게 추격하고 있다.

이에 전문가들은 한국 기업들이 건식 전극과 같은 공정 혁신을 통해 다시 한번 치고 나가야 한다고 제언하고 있다. 테슬라보다 먼저 한국 기업이 건식 전극 기술을 완성한다면 경쟁자들을 따돌리고 세계 배터리 시장의 주도권을 확고히 할 수 있다는 것이다.

건식 전극, 왜 팔방미인인가

지금까지 배터리의 양극과 음극은 습식 공정으로 만들어졌다. 양극이나 음극 활물질에 도전재, 바인더를 용매(solvent)와 함께 믹서기에 넣고 섞으면 점성이 있는 슬러리(slurry)가 만들어진다. 이를 믹싱 공정이라고 부른다.

이후 슬러리를 집전체(양극의 경우 알루미늄, 음극은 구리)에 얇게 바르는 코팅 과정을 거친다. 코팅된 양극과 음극을 고온의 열풍기가 있는 건조기에 통과시키면 용매가 증발하면서 딱딱하게 굳어진다. 이를 건조 공정이라고 한다. 건조된 양극과 음극은 프레스기를 통해 밀착시켜준다.

모든 공정이 중요하겠지만 이 중 가장 많은 비용과 공간을 차지하는 부분이 건조 공정이다. 통상 코팅 장비와 건조 장비는 연결돼 있는데 길이가 수십~100ｍ에 달한다.

그뿐만 아니라 습식 공정에서 슬러리를 만들 때 양극의 경우 NMP(N-Menthyl-2-Pyrrolidone, 노말메틸피롤리돈)라는 유기용매를 사용한다. NMP는 값이 비싸고 독성이 있는 물질이기 때문에 배터리 셀 제조 기업들은 NMP 회수 시스템을 함께 운영하고 있다. NMP 회수 설비의 높이도 20~30ｍ로 고층 아파트에 맞먹는다.

이같은 건조 과정을 없애고 활물질-도전재-파우더 분말을 바로 집전체에 코팅하는 기술이 건식 전극이다. 건식 전극은 건조 공정을 생략하기 때문에 제조 공정을 단순화하고 설비투자 비용을 상당히 절감할 수 있다. 많은 자리를 차지하는 건조 설비가 없기 때문에 같은 공간에서 더 많은 배터리를 생산할 수도 있는 이점도 있다.

배터리 제조 공정은 전기차가 과연 친환경적인가라는 논쟁이 있을 때마다 단골 메뉴가 되곤 한다. 전기차 자체는 온실가스를 배출하지 않지만 전기차 제조 과정에서 탄소를 배출하고 환경을 파괴한다는 비난을 받아왔다. 대표적인 것이 전기차 제조 원가의 약 40%를 차지하는 배터리다.

배터리 제조 공정 중 특히 NMP를 건조하고 회수하는데 상당한 전기 에너지를 소모하게 되는데 이는 온실가스 배출의 원인이 된다. 연구 결과에 의하면 습식 제조 과정에서 용매 건조로 인해 1kWh당 42kg의 이산화탄소가 발생한다. 대기중으로 환경오염물질인 휘발성유기화합물(VOC, Volatile Organic Compound)을 배출하기도 한다.

이에 비해 건식 전극은 용매를 건조하고 회수하는 과정이 없어 전기 에너지 소모가 적고 VOC를 배출하지 않기 때문에 친환경적인 공정이라고 할 수 있다.

습식 공정은 배터리의 성능을 올리는 데 제약으로 작용하기도 한다. 에너지밀도를 높이기 위해서는 전극이 두꺼울수록 좋다. 이를 후막 전극이라고 한다.

습식 공정에서는 용매와 소재 간 층 분리 현상으로 인해 후막 전극을 만들기 어렵다. 활물질, 도전재, 바인더 등 각 소재의 비중이 서로 다르기 때문에 두껍게 코팅하면 바인더와 도전재가 전극 표면으로 떠오른다. 습식 공정에서는 약 100마이크로미터(㎛) 이상의 두께로 전극을 코팅하기 어렵다.

건식 공정을 이용하면 이 같은 층 분리 현상 없이 활물질-도전재-바인더를 골고루 분산할 수 있기 때문에 후막 전극을 만들 수 있고 이를 통해 배터리의 용량과 에너지 밀도를 끌어 올릴 수 있다.

테슬라도 미완성, "4680엔 음극에만 건식 적용"

테슬라는 2019년 건식 전극 기술을 보유한 슈퍼캐퍼시티 기업인 맥스웰테크놀로지(Maxwell Technologies)를 인수했다. 그리고 이듬해인 2020년 9월 배터리데이에서 건식 전극을 도입하겠다고 발표했다. 테슬라는 2년 만인 2021년 맥스웰을 UCAP에 재매각했지만 건식 전극 기술을 확보할 수 있었다.

테슬라는 4680 원통형 배터리에 건식 전극을 적용할 계획이었지만 차질을 빚고 있는 것으로 보인다. 테슬라는 텍사스 오스틴의 기가팩토리에서 4680 배터리를 생산해 사이버트럭에 탑재하고 있다. 전문가들이 직접 테슬라 4680 배터리를 입수해 분석한 바에 따르면 이 배터리에는 음극에만 건식 전극을 적용하고 양극은 기존 습식 전극을 채택한 것으로 나타났다.

테슬라가 왜 아직 양극에 건식 전극 공정을 적용하지 못하고 있는지에 대해서는 알려진 바가 없다. 다만 건식 전극 공정의 수율(양품률)이 낮아 대량 생산할 정도 수준에 이르지 못한 것 아니냐는 분석이 나오고 있다. 4680 배터리의 낮은 수율이 사이버트럭 생산에까지 영향을 미치고 있다는 외신이 전해지기도 했다.

건식 코팅 공정의 원리는 간단하지만 실제 이를 구현하는 데는 각 단계마다 상당한 난제들이 존재한다. 용매를 쓰지 않고 활물질, 도전재, 바인더를 균일하게 믹싱하는 것부터가 쉽지 않다. 점성이 없는 분말을 집전체에 고르게 도포하는 것은 더욱 어렵다.

수율이 낮으면 생산 원가가 상승하게 된다. 비용을 낮추기 위해 건식 전극을 도입했는데 오히려 비용 상승 요인으로 작용할 수 있는 것이다.

테슬라 4680 배터리의 성능도 아직 기대에 미치지 못하는 것으로 파악된다. 독일의 자동차 컨설팅 기업인 P3그룹이 음극에 건식을 적용한 테슬라의 4680 배터리와 습식 전극을 적용한 중국 고션하이테크사 4695 배터리를 비교·분석한 결과 테슬라 제품의 에너지 밀도가 더 낮은 것으로 나타났다.

중국 4695 배터리의 무게당 에너지밀도는 281와트시(Wh)/kg인 반면 테슬라 4680은 227Wh/kg였다. 이는 건식 전극을 이용했을 때 용량과 에너지밀도가 올라간다는 기존 개념에서 벗어난 것이다.

P3그룹의 분석에 따르면 테슬라 4680 배터리의 음극 두께는 비교 대상이 된 중국 제품보다 1.5배 두꺼웠다. 하지만 음극에는 실리콘을 포함하지 않고 순수 흑연만 사용하면서 에너지 용량이 낮아진 것으로 보인다.

또 검사 결과 음극에 다량의 불소가 확인됐는데 이는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene·폴리테트라 플루오로 에틸렌) 바인더를 사용했기 때문으로 추정됐다. 건식 공정을 위해 PTFE 바인더의 함량을 증가하다 보니 활물질의 비중이 감소하고 용량이 낮아진 것으로 보인다. (PTFE 바인더에 대해서는 배터리완전정복 29회 참조)

테슬라 이외에 현재 국내외에서 발표되고 있는 46파이 원통형 배터리들은 모두 습식 공정으로 생산되고 있다. LG에너지솔루션이 8월에 양산하는 4680 배터리는 양극과 음극에 모두 습식을 적용한다. 이 배터리는 테슬라에 공급될 예정인 것으로 알려졌다. 삼성SDI, 금양이 선보인 46파이 배터리 역시 습식 전극 공정으로 만들어진다.

건식 전극, 어디가 가장 앞섰나

건식 전극 기술은 아직 성숙하지 않았기 때문에 정형화된 공정이 없다. 현재까지 많이 알려진 건식 전극 제조 기술로는 코팅 방식에 따라 맥스웰 방식과 프라운호퍼IWS 방식(직접 압연), 정전기 스프레이 방식 등이 있다.

이중 맥스웰 방식이 가장 잘 알려져 있고 기술적으로 성숙해 있다. 우선 활물질, 도전재, PTFE 바인더를 혼합한다. 이 분말을 롤투롤(roll to roll) 장비에 넣으면 PTFE의 섬유화 현상에 의해 얇은 필름이 만들어진다. 이 필름을 집전체 위에 압연 코팅하면 된다.

맥스웰 방식은 활물질을 필름 형태로 별도 제작하기 때문에 프리 스탠딩(free standing) 방식이라고도 한다. 이 방식은 자칫하면 필름이 찢어지거나 늘어질 수 있어 고도의 노하우가 필요하다. 맥스웰이나 테슬라가 광범위하게 특허를 보유하고 있는 것으로 알려졌다.

프라운호퍼IWS는 직접 압연(direct calendering) 방식을 사용하고 있다. 이는 압연기에서 건식 전극을 만든 후 바로 집전체를 롤투롤 기기에 통과시켜 코팅하는 방식이다. 프라운호퍼IWS는 자사 장비를 이용하면 100m 길이의 코팅 건조 장비를 10ｍ 이내로 줄일 수 있다고 설명하고 있다.

프라운호퍼IWS 방식은 전극을 생산하면서 바로 코팅하기 때문에 생산 속도가 빠르지만 맥스웰 방식과 마찬가지로 기계적 강도가 낮다는 단점이 있다. 프라운호퍼IWS는 독일의 장비 기업인 자우어레식(Saueressig)사와 함께 직접 압연 기술을 개발했다. 자우어레식은 테슬라에도 배터리 셀 장비를 공급하는 기업이기 때문에 테슬라가 건식 전극에 직접 압연 방식을 채택할 가능성도 거론된다.

프라운호퍼IWS의 건식 전극 기술. 이미지출처=프라운호퍼IWS

최근 주목받고 있는 기술 중에 정전기 스프레이 방식이 있다. 이는 정전기의 원리를 이용해 스프레이로 집전체에 전극 분말을 뿌려준 후 프레스기로 가압해주는 방식이다.

미국의 벤처기업인 AM배터리가 정전기 스프레이 방식을 도입하고 있다. 이 회사는 지난해 12월 도요타벤처스, 포르셰벤처스, 아사히카세이 등으로부터 3000만 달러 규모의 시리즈B 투자를 받았다. 누적 투자 유치금은 6000만 달러에 이른다.

정전기 스프레이 방식은 대면적의 집전체에 균일하게 도포할 수 있다는 장점이 있으나 제작 속도가 느리다는 단점이 있다. 스프레이로 도포하기 위해서는 바인더의 함량을 높여야 하는데 그만큼 활물질 함량이 감소하기 때문에 용량과 에너지 밀도가 떨어진다는 점도 해결해야 할 문제로 꼽힌다.

AM배터리의 건식 공정 모식도. 이미지출처=AM배터리

이외에 독일의 폭스바겐은 2023년 6월 독일 인쇄기기 전문업체인 코닉앤드바우어(Koenig & Bauer)와 함께 건식 전극 공정을 개발한다고 밝힌 바 있다. 폭스바겐은 2027년까지 산업 생산에 나설 계획이다. 폭스바겐과 코닉앤드바우어가 어떻게 건식 전극을 개발하고 있는지는 정확히 알려지지 않았다.

국내에서 건식 전극에서 가장 앞서 있는 기업은 LG에너지솔루션으로 파악된다. 테슬라가 맥스웰테크놀로지를 인수하기 전에 이미 LG에너지솔루션은 이 회사와 건식 전극을 공동으로 연구하고 있었다고 한다.

LG에너지솔루션은 대전에 있는 기술연구원에서 전극 건식 공정을 연구하고 있다. 또한 충북 오창 에너지플랜트2에 새로 짓고 있는 OC10건물에 건식 전극 생산을 위한 파일럿 라인을 구축할 계획인 것으로 알려졌다.

LG에너지솔루션 김제영 최고기술책임자(CTO)가 인터 배터리2024 기조강연에서 건식 전극에 대해 설명하고 있다. 사진=강희종 기자

LG에너지솔루션은 건식 전극 양산을 앞두고 있는 것으로 파악된다. 배터리 업계에서는 LG에너지솔루션이 테슬라보다 먼저 양극 전극을 양산할 수 있을 것이란 전망도 나온다. 김제영 최고기술책임자(CTO)는 인터 배터리 2024에서 "다양한 양극재에 대해 파일럿 개발이 거의 끝났으며 준 양산급"이라고 밝힌 바 있다.

한국에너지기술연구원은 국가과학기술연구회(NST)의 '탄소 중립형 고에너지밀도 배터리를 위한 소재/공정 혁신융합 솔루션 개발' 과제를 통해 건식 전극을 개발하고 있다. 탄소나노튜브(CNT) 건식 도전재, 용매를 사용하지 않고 분산이 가능한 무용제 바인더, 건식 공정에 최적화된 신규 고용량 실리콘계 복합 활물질을 개발하는 것이 과제의 목적이다.

한국전기연구원, 한국재료연구원, 한국과학기술연구원 등 공공 기관과 함께 민간 기업으로는 삼성SDI, 한화모멘텀, 천보 등이 이 과제에 참여하고 있다. 한국에너지기술연구원 역시 건식 전극 개발에 상당한 진전이 있는 것으로 보인다. 이 연구를 총괄하고 있는 한국에너지기술연구원의 김진수 박사는 "2026년 8월까지 과제를 완료할 계획이며 연구 결과에 대해 현재 다양한 특허를 출원하고 있다"고 말했다.

<참고문헌>

한국에너지기술연구원, Dry Electrode Technologies for Carbon-Neutralized High-Energy Density Batteries, 2023.3.7

강희종 기자 mindle@asiae.co.kr