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Nikkei X-TECH_2024.2.19

첨단기술 키워드
전고체 배터리 전에 '드라이 전극'
앞서는 테슬라는 고전 중

‘드라이 전극’은 리튬이온 배터리의 새로운 제조 기술이다. 지금까지 필요했던 전극의 건조 공정을 없앨 수 있는 것이 최대 특징이다. 리튬이온 배터리의 과제인 막대한 설비투자나 제조 비용을 줄이는 비장의 카드가 될 수 있다. 전기자동차(EV)용 차량탑재 배터리에 적용하기 위해 세계의 자동차 업체나 배터리 업체가 개발에 주력하고 있다.

일반적인 리튬이온 배터리의 전극 제조 공정은 다음과 같다. 우선 양극재나 음극재, 바인더(접착제) 등을 유기용매에 섞어 슬러리처럼 유동성이 있는 페이스트로 만든다. 다음으로 슬러리를 집전체가 되는 금속박에 도포하고, 건조로에서 열을 가해 용매를 제거한다. 건조가 끝나면 프레스하여 소정의 두께로 마무리하고, 롤 형태의 전극으로 완성한다.

이 중 건조로는 길이가 50~100m에 달하는 거대한 장치다. 이 장치 때문에 배터리 사업의 투자금이 막대해지고 이산화탄소(CO2) 배출량도 많아지고 있었다. 독일 폭스바겐에 따르면, 배터리 제조 공정 전체에서 소비하는 에너지의 약 30%를 건조 공정이 차지하고 있었다고 한다.

이 과제를 해결한 것이 드라이 전극이다. ‘드라이 코팅’이나 ‘드라이 프로세스’라고도 불리는 기술로, 전극 제조 공정에서 건조 공정을 생략했다. 유기용매를 사용한 슬러리 대신에 분말 상태의 전극재료를 금속박 위에 도포한다.

기법은 몇 가지가 있다. 타사보다 먼저 드라이 전극을 실용화한 미국 테슬라는 소량의 바인더 분말을 사용하고 있는 것 같다. 전극재료와 바인더 분말을 섞고, 가열한 롤러 위에서 집전체와 전극재료를 밀착시켜 단시간에 바인더를 녹여 도포한다는 견해도 있다.

테슬라는 미국 텍사스주에 위치한 '기가 텍사스' 공장에서 만드는 신형 배터리 '4680'에 드라이 전극을 적용했다. 실용화에서는 앞섰지만, 미국의 미디어 보도에 따르면 4680 배터리의 생산 속도가 오르지 않아, 이 배터리를 탑재하는 신형 EV ‘Cybertruck’의 양산에 걸림돌 되고 있다고 한다.

-- 폭스바겐, 2026년쯤 유럽과 북미에 도입 --
폭스바겐은 드라이 전극에 대해 ‘지속 가능하고 저렴한 배터리를 제조하는데 있어서 ‘게임 체인저’가 될 기술’이라고 정의한다. 폭스바겐은 2024년 말까지 이 기술의 개발을 완료하고, 2026~27년에 유럽과 북미의 배터리 공장에 도입할 계획이다.

건조로를 생략함으로써 에너지 소비의 30% 삭감이나 공장 바닥 면적의 15% 절약 등을 목표로 한다. 이를 통해 연간 수 억 유로의 전기료를 절약할 수 있을 것으로 추산했다.

개발은 폭스바겐 그룹의 배터리 업체인 PowerCo가 담당한다. 인쇄기 업체인 독일 Koenig & Bauer와 공동으로 드라이 전극의 제조 기술을 완성해 나간다. 분말 상태의 배터리 재료를 집전체에 도포해, 머리카락 굵기 정도의 얇은 층으로 만든다고 한다.

배터리 업체들도 실용화를 서두른다. 이유는 전고체 배터리의 양산 계획이 늦어지고 있기 때문이다. 차세대 배터리는 개발은 왕성하게 이루어지고 있지만 양산의 장벽이 높다. 이 때문에 당분간은 기존의 리튬이온 배터리가 EV용 배터리의 주류가 될 것이라는 견해가 강하다. 드라이 전극을 사용해 비용이나 CO2 배출량, 공장 바닥 면적 등을 줄일 수 있다면, 이는 경쟁력으로 직결된다.

중국 CATL이나 한국의 LG에너지솔루션 등을 비롯한 배터리 업체들이 대응하고 있는 가운데, AESC 그룹(요코하마시)은 이바라키현에 있는 공장에 드라이 전극의 제조 라인을 구축할 예정이다.

이바라키 공장은 AESC 그룹이 ‘마더 공장’이라고 평가하는 거점이다. 현재는 ‘제1동’이 완성한 단계로, 배터리 제조를 2024년 3월에 시작한다. 배터리 제조 라인으로서 ‘제2동’ ‘제3동’을 계획하고 있고, 전극 제조 라인도 별도로 구축한다. 이 전극 제조 라인에 드라이 전극 기술을 도입해 26년부터 양산을 시작할 계획이라고 한다.

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