테슬라의 배터리 혁신: 건식 전극 공정 개발 현황과 전망

테슬라가 배터리 생산 비용을 획기적으로 낮추고 에너지 밀도를 높이기 위한 핵심 기술인 건식 전극 공정 개발에 박차를 가하고 있습니다. 최근 테슬라는 건식 전극 공정 개발팀 채용을 확대하며 기술 개발에 속도를 내고 있습니다. 이 글에서는 테슬라의 건식 전극 기술 개발 현황과 배터리 산업에 미칠 영향, 그리고 향후 전망에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

 

배터리의 기본 구조와 전극 공정이란?

배터리는 크게 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있습니다. 양극과 음극은 배터리의 핵심 부품으로, 이 두 전극 사이에서 일어나는 화학 반응을 통해 전기가 생성됩니다. 따라서 양극과 음극을 만드는 '전극 공정'은 배터리 제조의 첫 단계이자 가장 중요한 과정이라고 할 수 있습니다.

전극 공정은 간단히 말해 양극재나 음극재라 불리는 활물질(리튬, 니켈, 코발트 등)을 얇은 금속판(집전체)에 고르게 입히는 과정입니다. 이 과정에서 배터리의 성능, 출력, 수명 등이 결정됩니다.

기존의 배터리 제조 방식: 습식 공정

지금까지 대부분의 배터리 회사들은 '습식 공정'이라는 방식으로 전극을 만들어 왔습니다. 습식 공정은 다음과 같은 단계로 이루어집니다:

1. 믹싱 공정: 양극이나 음극의 활물질(주재료)에 접착력을 높이는 바인더, 전자의 이동을 돕는 도전재를 용매(액체)와 섞습니다.
2. 슬러리 제조: 이렇게 섞인 재료는 액체 상태의 '슬러리'라는 형태가 됩니다. 마치 요리할 때 밀가루에 물을 넣어 반죽을 만드는 것과 비슷합니다.
3. 코팅 공정: 이 슬러리를 양극은 알루미늄 집전체에, 음극은 구리 집전체에 얇게 바릅니다. 이것은 마치 빵에 잼을 바르는 것과 같습니다.
4. 건조 공정: 코팅된 전극을 100°C 이상의 뜨거운 오븐에서 건조시켜 용매를 증발시킵니다. 이 과정은 매우 중요하지만, 많은 시간과 에너지가 소요됩니다.
5. 롤 프레싱 공정: 건조된 전극을 롤러 사이로 통과시켜 평평하게 만듭니다. 이는 전극의 밀도를 높이고 성능을 향상시키기 위함입니다.

습식 공정은 액체 상태의 슬러리를 사용하기 때문에 균일하게 코팅할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 건조 과정에 많은 시간과 에너지가 필요하고, 유기용매를 사용하기 때문에 환경 문제를 일으킬 수 있다는 단점이 있습니다.

미래의 배터리 제조 방식: 건식 공정

'건식 공정'은 말 그대로 '마른' 상태, 즉 용매(액체)를 사용하지 않고 전극을 만드는 방식입니다. 건식 공정의 단계는 다음과 같습니다:

1. 믹싱 공정: 양극이나 음극 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 혼합하여 고체 파우더(가루) 형태로 만듭니다.
2. 고체 파우더 코팅: 이 고체 파우더를 집전체에 직접 코팅합니다. 이 과정에서는 다양한 방법이 연구되고 있는데, 파우더를 필름화한 다음 집전체에 붙이는 방식이나, 파우더를 집전체에 뿌린 다음 압연하는 방식 등이 있습니다.
3. 롤 프레싱 공정: 코팅된 전극을 롤러 사이로 통과시켜 평평하게 만듭니다.

건식 공정의 가장 큰 특징은 습식 공정과 달리 '건조 과정'이 필요 없다는 점입니다. 액체를 사용하지 않기 때문에 건조할 필요가 없는 것이죠. 이는 생산 시간을 크게 단축시키고, 에너지 소비를 줄이는 장점이 있습니다.

건식 전극 공정의 장점

건식 전극 공정은 다양한 장점을 가지고 있어 배터리 산업의 '게임 체인저'로 불리고 있습니다:

1. 비용 절감: 건조 과정에 필요한 설비와 에너지 비용을 줄여 전극 제조 비용을 17~30% 낮출 수 있습니다.
2. 생산 효율 향상: 공정 단계가 줄어들어 생산 속도가 빨라지고, 공장 공간도 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.
3. 환경 친화적: 유기용매를 사용하지 않기 때문에 휘발성 유기화합물(VOCs)의 배출을 줄일 수 있어 환경에 더 친화적입니다.
4. 에너지 밀도 향상: 건식 공정은 전극을 더 두껍게 만들 수 있어 배터리의 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 전극은 두껍고 밀도가 높을수록 에너지를 더 많이 저장할 수 있는데, 습식 공정에서는 슬러리를 두껍게 코팅하면 건조 과정에서 문제가 발생할 수 있습니다. 반면 건식 공정은 이런 제약이 적어 더 두꺼운 전극을 만들 수 있습니다.
5. 균일한 분포: 건식 공정은 바인더와 도전재를 더 균일하게 분포시킬 수 있어 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다.

건식 전극 공정의 기술적 난제

이처럼 많은 장점을 가진 건식 공정이지만, 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 난제도 있습니다:

1. 균일한 코팅의 어려움: 액체 슬러리와 달리 고체 파우더를 집전체에 균일하게 코팅하는 것은 매우 어렵습니다. 마치 빵에 잼을 바르는 것과 가루를 뿌리는 것의 차이라고 생각하면 됩니다. 잼은 빵에 고르게 발라지지만, 가루는 쉽게 흩어지고 불균일하게 붙습니다.
2. 양극 건식 공정의 어려움: 특히 양극 건식 공정은 더 어렵습니다. 양극 활물질은 고온에 취약하여 균열이 발생할 가능성이 높기 때문입니다.
3. 접착력 문제: 고체 파우더가 집전체에 잘 붙어있도록 하는 것도 중요한 문제입니다. 특히 전극을 말아서 배터리를 만들 때, 파우더가 떨어지지 않고 잘 붙어있어야 합니다.
4. 대량 생산의 어려움: 실험실 수준에서는 성공할 수 있지만, 이를 대량 생산 라인에 적용하는 것은 또 다른 도전입니다.

이러한 기술적 난제로 인해 테슬라가 2020년에 건식 공정을 도입하겠다고 발표한 이후에도 아직 완전한 상용화가 이루어지지 않고 있습니다.

건식 전극 공정의 개발 현황

현재 전 세계 여러 기업들이 건식 전극 공정 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다:

1. 테슬라: 테슬라는 2020년 '배터리 데이'에서 건식 전극 공정을 도입하겠다고 발표했습니다. 현재는 음극에만 건식 공정을 적용하고 있으며, 양극에는 여전히 습식 공정을 사용하고 있습니다. 최근에는 건식 양극으로 생산한 배터리를 탑재한 사이버트럭을 테스트 중이며, 2024년 4분기에는 제품을 출시할 계획이라고 합니다.
2. LG에너지솔루션: LG에너지솔루션은 2024년 4분기에 충북 오창에 건식 공정을 위한 파일럿(시범생산) 라인을 구축할 계획이며, 2028년까지 건식 전극 공정을 상용화할 계획입니다.
3. 삼성SDI: 삼성SDI도 최근 충남 천안에 '드라이 EV'라는 이름의 파일럿 라인을 완공한 것으로 알려졌습니다.

이처럼 세계적인 배터리 회사들이 건식 전극 공정 개발에 적극적으로 나서고 있으나, 아직 완전한 상용화에는 이르지 못한 상태입니다.

건식 전극 공정의 미래

건식 전극 공정 기술이 성공적으로 상용화된다면, 배터리 산업과 전기차 시장에 큰 변화를 가져올 것으로 예상됩니다:

1. 배터리 생산 비용 감소: 건식 공정을 통해 배터리 생산 비용이 크게 줄어들면, 전기차 가격도 낮아질 수 있습니다.
2. 배터리 성능 향상: 더 두꺼운 전극을 만들 수 있어 배터리의 에너지 밀도가 향상되고, 이는 전기차의 주행 거리 증가로 이어질 수 있습니다.
3. 환경 영향 감소: 유기용매 사용 감소로 배터리 생산 과정의 환경 영향이 줄어들 수 있습니다.
4. 생산 속도 향상: 공정 단계가 줄어들어 배터리 생산 속도가 빨라질 수 있습니다.

 

건식 전극 공정의 개념과 중요성

건식 전극 공정은 배터리 제조의 첫 단계인 전극 공정에서 혁신적인 변화를 가져오는 기술입니다. 기존의 습식 공정은 활물질과 도전재, 바인더를 용매와 섞어 만든 액상 슬러리를 집전체에 코팅한 뒤 이를 다시 건조하는 방식으로 진행됩니다. 이 과정에서 200도 이상의 고온 건조 과정이 필요하며 막대한 전력이 소비됩니다.

반면 건식 공정은 각종 원료를 용매 없이 혼합해 고체 파우더로 만들어 집전체에 코팅합니다. 건조 과정이 생략되는 만큼 습식 공정 대비 제조 비용을 최대 30%까지 낮출 수 있고, 전극을 두껍게 만들어 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 독성이 강한 용매와 용광로 베이킹 공정을 제거하여 시간과 공간을 절약하고 환경 친화적이라는 점도 큰 장점입니다.

현재 배터리 시장에서 중국 기업들의 저가 물량공세에 맞서기 위해서는 원가 경쟁력이 필수적인데, 건식 전극 공정이 이를 가능하게 하는 핵심 기술로 평가받고 있습니다. 특히 전기차 가격의 중요한 부분을 차지하는 배터리 비용을 낮추는 데 결정적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

테슬라의 건식 전극 기술 개발 역사

테슬라의 건식 전극 기술 개발은 2019년 수퍼캐퍼시터 기업인 맥스웰 테크놀로지스(Maxwell Technologies)를 인수하면서 본격화되었습니다. 테슬라는 2020년 9월 배터리 데이(Battery Day)에서 건식 전극 공정을 도입하겠다고 공식적으로 발표했습니다. 테슬라는 2년 만인 2021년 맥스웰을 UCAP에 재매각했지만 건식 전극 기술을 확보할 수 있었습니다.

테슬라는 건식 전극 기술을 통해 4680 배터리(지름 46mm, 높이 80mm)의 생산 비용을 크게 낮추고 에너지 밀도를 높이는 전략을 추진해왔습니다. 4680 배터리는 기존 2170 배터리에 비해 크기가 크고 탭리스(tabless) 디자인을 적용하여 전자가 셀에 들어오고 나가기 위해 이동해야 하는 거리를 줄여 저항을 감소시키고 전반적인 차량 효율성을 향상시키는 장점이 있습니다.

그러나 건식 전극 공정의 기술적 난이도가 높아 테슬라는 현재까지 음극에만 건식 공정을 적용하고 있으며, 양극에는 여전히 기존의 습식 공정을 사용하고 있습니다. 업계에서는 음극에 건식 공정을, 양극에는 습식 공정을 적용한 테슬라 4680 배터리의 수율이 70% 초반 수준일 것으로 추정하고 있습니다.

4680 배터리와 건식 전극 적용 현황

테슬라는 현재 4680 배터리를 자체 생산하고 있으며, 이 배터리는 사이버트럭에 탑재되고 있습니다. 2023년 11월에는 업데이트된 4680 배터리가 '사이버셀'이라는 이름으로 발표되었고, 이 새로운 버전은 더 나은 에너지 밀도와 향상된 충전 성능을 제공할 것으로 기대되었습니다.

티어다운 타이탄으로 유명한 샌디 먼로의 분석에 따르면, 이 개선된 버전은 에너지 밀도가 약 12% 증가하여 상당히 개선된 것으로 나타났습니다. 그러나 현재까지 양극 건식 공정 적용에는 어려움을 겪고 있는 것으로 보입니다.

최근 엘론 머스크는 2024년 주주총회에서 테슬라가 4680 셀 표준에 새로운 혁신을 이뤘다고 발표했습니다. 또한 사이버트럭 공식 계정에서는 최초의 '4680 건식 양극 공정 사이버트럭'의 이미지를 공유하기도 했습니다. 이는 테슬라가 양극 건식 공정 적용에도 진전을 이루고 있음을 시사합니다.

외신에 따르면 테슬라는 2026년까지 건식 양극을 적용한 4680 배터리 4종을 도입할 예정입니다. 이 중 'NC05'로 명명된 배터리는 로보택시를 비롯해 사이버트럭, 세미트럭에 적용될 것으로 전해집니다. 앞서 7월 2분기 실적발표 컨퍼런스콜에서는 건식 양극을 적용한 배터리를 사이버트럭 1대에 테스트 중이며, 4분기 중 생산할 것이라고 밝힌 바 있습니다.

건식 전극 공정의 기술적 난제

건식 전극 공정은 여러 기술적 난제로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 균일하게 혼합하는 것부터 쉽지 않을뿐더러 점성 없는 고체 파우더를 집전체에 고르게 도포하는 것은 더욱 어렵습니다.

특히 양극 건식 공정 적용에는 더 큰 어려움이 있습니다. 건식 전극 공정에서는 고체 파우더를 균일하게 형성하는 것이 매우 중요한데, 이를 위해 고온과 고압의 프레스를 사용하여 재료를 압축하는 방식으로 균일성을 유지합니다. 그러나 양극 활물질은 고온에 취약하여 균열이 발생할 가능성이 더 높기 때문에 건식 공정에서 만족스러운 수율이 나오지 않고 있습니다.

이러한 기술적 난제로 인해 테슬라는 현재 LG에너지솔루션으로부터 습식으로 만든 양극 전극을 공급받고 있는 것으로 알려져 있습니다. 배터리 업계는 올해 5월쯤 테슬라가 LG에너지솔루션으로부터 외주 전극을 주문할 수 있다는 보도가 나온 것도 이와 무관하지 않다고 보고 있습니다. 조립·활성화 등 후방 공정은 직접 하는 대신, 습식으로 만든 전극만 LG에너지솔루션에서 받아오는 전략을 취하고 있는 것으로 보입니다.

테슬라의 건식 전극 기술 개발팀 확대

테슬라는 최근 건식 전극 공정 개발팀 채용을 확대하고 있습니다. 현재 구인 중인 포지션은 '프로세스 디벨로먼트 팀(Process Development Team)'에서 근무할 건식 전극 전문가입니다. 이는 테슬라가 여전히 건식 전극 기술 개발에 상당한 자원을 투입하고 있음을 보여줍니다.

채용 공고의 상세 내용을 보면, 제조 엔지니어링 기술자와 셀 엔지니어링 분야의 전문가를 찾고 있으며, 공정 개발보다는 제조 수율을 높이는 활동에 중점을 두고 있는 것으로 보입니다. 이는 테슬라가 건식 전극 공정의 기본 기술은 확보했으나, 이를 대량 생산에 적용하기 위한 수율 향상에 집중하고 있음을 시사합니다.

특히 채용 공고에서는 롤투롤(Roll to Roll) 제조 공정 경험이 있는 기술자를 선호한다고 명시하고 있습니다. 롤투롤은 건식 전극 공정에 사용되는 설비로, 이는 테슬라가 건식 전극 생산을 위한 구체적인 설비와 공정에 초점을 맞추고 있음을 보여줍니다. 또한 파우더 취급(Powder Handling)에 경험이 많은 사람도 우대하고 있어, 건식 공정에 필요한 분말 취급 기술에도 관심을 두고 있음을 알 수 있습니다.

LG에너지솔루션과 글로벌 기업들의 건식 전극 개발 경쟁

테슬라 외에도 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 한국의 배터리 기업들도 건식 전극 공정 기술 개발에 적극적으로 나서고 있습니다. 특히 LG에너지솔루션은 건식 전극 기술 개발에 가장 앞선 기업으로 평가받고 있습니다.

LG에너지솔루션은 이르면 2024년 4분기에 건식 전극 공정을 위한 파일럿(시범생산) 라인을 충북 오창 에너지플랜트에 구축하고, 2028년까지 건식 전극 공정을 상용화할 계획입니다. 김제영 LG에너지솔루션 최고기술책임자(CTO)는 "2025년 고전압 미드니켈 NCM(니켈·코발트·망간) 배터리 양산, 2028년에는 건식공정 도입을 목표로 하고 있다"며 관련 기술 개발 현황을 밝혔습니다.

최근에는 개혁신당 이준석 의원이 대전 LG에너지솔루션을 방문해 건식 배터리 연구소를 견학했으며, 이 자리에서 양극 건식 전극 샘플도 공개된 바 있습니다. 이는 LG에너지솔루션이 양극 건식 전극 개발에 상당한 진전을 이룬 것을 시사합니다.

삼성SDI도 건식 전극 공정 개발에 적극적입니다. 최윤호 삼성SDI 사장은 54주년 창립기념식에서 "2030년 시장을 리드할 수 있는 초격차 기술경쟁력을 확실히 확보하자"며 "전고체, 건식극판 등 배터리 신기종·신기술을 구축해야 한다"고 강조했습니다. SK온은 미국 배터리 제조 장비 업체 '사쿠우'와 공동개발계약을 체결하고 건식전극공정용 장비 개발에 착수했습니다.

글로벌 자동차 기업들도 건식 전극 기술에 관심을 보이고 있습니다. 폭스바겐은 배터리 자회사 파워코를 통해 건식 코팅 공정을 개발 중이며, 독일의 인쇄기 전문업체인 코닉앤바우어와 협업을 통해 건식 전극 코팅 제조 공정을 개발하고 있습니다. 파워코는 유럽과 북미의 배터리 셀 생산 공장에 이를 도입해 2027년 상업화에 성공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

건식 전극 기술이 배터리 산업과 전기차 시장에 미칠 영향

건식 전극 기술은 배터리 산업과 전기차 시장에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 무엇보다 배터리 생산 비용 절감을 통해 전기차 가격 경쟁력이 크게 향상될 수 있습니다. 테슬라가 최근 모델Y의 비용을 최소 20% 절감한 새 모델(코드명 E41)을 개발 중이라는 보도가 나온 것도 배터리 비용 절감을 통한 전기차 가격 인하 전략의 일환으로 볼 수 있습니다.

건식 전극 기술은 기존 습식 공정 대비 제조 비용을 17~30% 절감할 수 있고, 전체 배터리 셀 생산 비용을 최대 50%까지 낮출 수 있는 것으로 평가됩니다. 또한 환경 친화적인 공정으로 배터리 제조의 지속가능성을 높이는 데도 기여할 것입니다.

특히 테슬라의 4680 배터리는 크기가 더 크고 탭리스 디자인이 적용되어 제조가 더 쉽고 효율적입니다. 테슬라는 2170 셀이 차지하는 공간을 4680 셀 960개만으로 채울 수 있어, 개별 셀을 감싸는 데 사용되는 재료가 크게 줄어들고 공간을 절약하며 배터리 팩의 에너지 밀도를 극대화할 수 있습니다.

이러한 기술 발전은 향후 전기차 시장에서 테슬라의 경쟁력을 더욱 강화할 것으로 보입니다. 특히 중국 기업들과의 가격 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 중요한 요소가 될 것입니다.

향후 전망 

건식 전극 기술은 여전히 개발 중인 기술이지만, 배터리 산업의 미래를 좌우할 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 테슬라를 비롯한 글로벌 기업들의 건식 전극 기술 개발 경쟁은 앞으로도 더욱 치열해질 것으로 보입니다.

테슬라는 현재 음극에만 건식 공정을 적용하고 있지만, 양극에도 건식 공정을 적용하기 위한 연구를 계속하고 있습니다. 만약 테슬라가 양극 건식 공정 적용에 성공한다면, 배터리 생산 비용을 크게 낮추고 생산량을 대폭 늘릴 수 있을 것입니다.

LG에너지솔루션도 2028년 건식 공정 상용화를 목표로 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 삼성SDI와 SK온도 건식 전극 기술 개발에 적극적으로 나서고 있습니다. 이들 기업 간의 기술 경쟁은 배터리 산업 전반의 발전을 가속화할 것으로 기대됩니다.

SNE 리서치에 따르면, 테슬라의 2024년 배터리 생산 능력은 약 8GWh로 집계되었으며, 2025년에는 12GWh 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다. 건식 전극 기술이 성공적으로 적용된다면, 이러한 생산 능력은 더욱 확대될 수 있을 것입니다.

또한 최근에는 '올 드라이(All Dry)' 프로세스라는 개념도 등장하고 있습니다. 이는 양극재 생산부터 전극 제조까지 모든 과정을 건식으로 진행하는 방식으로, 배터리 생산의 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 기술입니다. LG화학은 '프리커스 프리(Precursor Free)' 기술을 개발 중이며, 이는 전구체 없이 직접 양극재를 생산하는 방식으로 건식 공정과 밀접한 관련이 있습니다.

건식 전극 기술은 배터리 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 기술이 상용화되면 전기차의 가격 경쟁력이 크게 향상되어 전기차 보급 확대에 기여할 것으로 기대됩니다. 또한 환경 친화적인 생산 방식으로 배터리 산업의 지속가능성을 높이는 데도 중요한 역할을 할 것입니다.

결론적으로, 건식 전극 기술은 테슬라와 글로벌 배터리 기업들이 중국 기업들과의 경쟁에서 우위를 점하고, 전기차 시장의 성장을 가속화할 수 있는 핵심 기술입니다. 기술적 난제를 극복하고 상용화에 성공하는 기업이 미래 배터리 시장에서 주도권을 잡게 될 것으로 전망됩니다.