SK온, 건식 전극으로 여는 공정 혁신

SK온의 제조 비용 절감의 중심에는 건식 전극 공정이 있다. 일반적으로 전극을 제조할 때 습식 전극 공정을 거치는데, 건조와 회수에 에너지와 비용이 많이 드는 액체 용매 자체를 없앤 공정이다. 용매를 사용하지 않는 대신 분말 형태의 활물질을 압축해 전극을 제조한다. 에너지 리서치 기관 IDTechEx는 건식 전극 기술을 통해 전극 제조 비용을 최대 15% 이상 절감할 수 있다고 평가한다. 이번 편에서는 SK온의 4대 R&D 과제의 세 번째 주제인 ‘건식 전극(Dry Electrode)’을 집중적으로 살펴본다.

전극, 배터리 성능을 결정짓는 시작점

배터리 성능은 결국 전극에서 결정된다. 전극 공정은 일반 금속에 에너지를 저장하고 방출하는 배터리로서의 기능을 부여하기 위해 전기화학 반응을 구현한다. 전극을 얼마나 균일하고 정밀하게 제조하느냐에 따라 배터리의 용량∙수명∙품질이 좌우된다.

요소	설명
활물질	전기화학 반응을 통해 에너지를 저장·방출하는 물질
도전재	전극 전체로 전류가 고르게 흐르도록 돕는 탄소계 물질
바인더	활물질과 도전재를 집전체에 고정하는 ‘풀’ 역할의 고분자 소재
용매	전극 재료를 균일하게 섞는 혼합 매개체(NMP∙물 등)
슬러리	활물질·도전재·바인더·용매가 섞인 반죽 형태
집전체	전류를 외부로 전달하는 금속박(양극: 알루미늄, 음극: 구리)

오븐이 필요한 습식 공정

배터리 전극은 일반적으로 ‘습식 전극 공정(Wet Electrode Process)’을 통해 △믹싱 =>△슬러리 제조 => △슬러리 코팅 => △용매 건조 => △롤 프레싱 순으로 진행된다. 양극∙음극 활물질에 도전재∙바인더∙용매를 섞어 점성이 있는 액체 형태의 ‘슬러리’를 만든다. 이를 집전체(금속박)에 코팅한 뒤 약 100℃에서 장시간 건조한다. 이후 롤 프레싱 공정을 거쳐 전극을 평탄하게 만든다. 이 방식은 건조 과정으로 인해 공정 시간이 길고, 용매를 건조·회수하기 위한 대형 설비가 필요하다.

건조를 없앤, 건식 전극의 혁신

SK온이 주목한 ‘건식 전극 공정(Dry Electrode Process)’은 기존 습식 공정에서 가장 많은 에너지가 소모되는 ‘용매 건조’ 과정을 완전히 제거한 기술이다. 활물질, 도전재, 바인더를 용매 없이 혼합해 고체 파우더를 만들고, 이를 집전체(금속박)에 코팅∙압착해 제조한다. 용매를 사용하지 않아 건조∙회수 공정이 필요 없는 만큼, 에너지 사용량과 공정 시간을 모두 크게 줄일 수 있고, 대규모 설비도 불필요하다. 또한 습식 전극 공정으로는 만들기 어려운 ‘고로딩(High-loading) 전극’ 제작에 유리하다. 고로딩 전극은 전극의 한 층에서 에너지원 역할을 하는 활물질을 더 두껍게 쌓는 기술로, 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다. 다만 고체 파우더를 균일하게 압착하는 캘린더링의 기술 난이도가 상대적으로 높다.

건식 코팅 방식은?

건식 전극은 코팅 방식에 따라 프라운호퍼(Fraunhofer) 방식과 스프레이(Spray) 방식 등으로 나뉜다. SK온은 양산성이 높은 프라운호퍼 방식을 중심으로, 차세대 스프레이 방식까지 다양한 건식 전극 코팅 기술을 개발하며 공정 효율화와 품질 안정화에 집중하고 있다.

1) 프라운호퍼 방식: 고체 파우더를 여러 개의 롤에 연속 통과시켜 코팅하는 기술이다. 전극의 두께와 밀도를 정밀하게 조절할 수 있어 대량 생산에 유리하다.

2) 스프레이 방식: 고체 파우더를 집전체 위에 미세하게 분사한 뒤 압착하는 방식이다. 넓은 범위에 빠르고 균일하게 도포할 수 있지만, 아직은 연구 단계에 가까운 차세대 공정 기술이다. 미세한 고체 입자를 분사해서 일정한 두께로 제조하기가 매우 어렵기 때문이다.

캘린더링, 건식 전극 성능을 결정하는 핵심 단계

건식 전극 공정에서 전극의 품질을 좌우하는 단계가 바로 ‘캘린더링(Calendering)’이다. 호일(Foil)*을 원통형 캘린더 사이에 연속적으로 통과시키는 작업으로, 코팅된 고체 파우더 층을 압착시켜 두께와 밀도를 균일하게 한다. 캘린더별로 회전 속도, 압력, 온도 등 수많은 변수를 정밀하게 제어하는 고난도 기술이 필요하다. 이 때문에 건식 전극의 양산 성패를 가르는 핵심 품질 공정으로 꼽힌다.

*호일: 집전체에 파우더가 코팅된 상태의 전극

SK온, AI로 캘린더링 난제 도전

SK온은 캘린더링 공정의 난제를 해결하기 위해 AI 제어 기술을 도입했다. AI가 방대한 공정 데이터를 실시간 학습해 각 변수 간 상관관계를 분석하고, 매 순간 최적의 입력값을 자동으로 도출한다. 사람이 즉각 대응하기 어려운 미세한 변화를 실시간으로 반영해 전극 품질과 생산 효율을 동시에 향상시키는 방식이다.  

미래를 향한 SK온의 기술 혁신 여정

건식 전극은 단순히 공정을 축소하는 기술이 아니다. 배터리 제조 비용을 줄이고 생산성을 높이는 차세대 공정이다.  SK온은 △ 건식 전극 △고체 배터리 △열확산 방지 솔루션 △셀투팩 등 4대 R&D 과제를 통해 더욱 안전하고 경제적인 배터리 제조 기술을 구축하고 있다. 다음 편에서는 마지막 과제인 ‘셀투팩(CTP, Cell-to-Pack)’을 살펴본다.

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