최근 LEAD는 제10회 기점 리튬배터리 산업 연례 콘퍼런스에서 ‘경계를 넘어 정밀 제조로 전고체 배터리 양산의 새로운 기준을 정의하다’를 주제로 발표를 진행하고, 차세대 전고체 배터리 고효율 양산 적층 솔루션을 공개했다.

이번 솔루션은 전고체 배터리 생산 과정에서 핵심 공정인 적층과 컷·스태킹 공정에서 동시에 요구되는 정밀도, 수율, 생산 효율 간의 균형 문제를 해결한 것이 특징이다. 이는 전고체 배터리가 본격적인 대규모 양산 단계로 나아가는 데 중요한 기술적 진전을 의미한다.

양산의 병목

기술적 과제에서 생산 혁신으로

전고체 배터리는 안전성, 에너지 밀도, 수명 등에서 뛰어난 성능을 갖춰 차세대 에너지 저장 기술의 핵심 방향으로 평가받고 있다. 그러나 전고체 배터리의 제조 공정은 기존 액체 전해질 기반 배터리나 과도기 단계의 반고체 배터리와 비교해 구조적으로 큰 차이가 있다. LEAD에 따르면 전고체 배터리 생산 라인의 설비 교체율은 약 80~90%에 달할 것으로 예상된다. 이는 기존 배터리 생산 공정과는 사실상 다른 기술 체계에 해당한다는 의미다.

한편, 전고체 전해질 소재는 액체 전지 소재와 비교할 때 본질적으로 쉽게 부서지고 분진이 발생하기 쉬운 특성을 지니고 있다. 전극판 표면에 분진이나 소재 파편이 잔류할 경우, 배터리 수율을 심각하게 저하시키고 사용 성능을 악화시킬 뿐만 아니라, 전해질이 없는 내부 구조로 인해 셀 적층 정밀도에 대해 기존 공정을 훨씬 뛰어넘는 엄격한 요구 조건을 부과하며, 이는 양산 과정의 핵적인 걸림돌이 되고 있다.

LEAD는 전고체 배터리 양산의 핵심은 단순히 높은 정밀도를 구현하는 데 있지 않다고 강조한다. 생산 효율, 수율, 공정 안정성 사이에서 균형을 확보하는 것이 핵심 과제라는 설명이다. 장비 효율이 낮거나 수율이 불안정한 경우 정밀도 지표가 높더라도 대규모 상용화로 이어지기 어렵기 때문이다. 이는 산업의 실질적인 성장을 가로막는 요인이 될 수 있다.

제조 혁신의 돌파

세 가지 기술 축으로 생산 패러다임 재정립

LEAD가 이번에 공개한 솔루션은 ‘고효율 스마트 제조’를 핵심으로 다양한 기술 혁신을 통해 연구 단계 기술을 실제 양산 장비로 전환하는 기반을 마련했다.

우선 생산 효율 측면에서 단일 공정 기준 적층 속도를 0.35초/pcs 수준까지 끌어올렸다. 높은 정밀도를 유지하면서도 업계 평균을 상회하는 생산성을 확보해 전고체 배터리 대량 생산을 위한 경제적 기반을 마련했다.

공정 안정성과 수율 확보를 위해서는 취성이 높은 소재 특성에 대응하는 기술을 적용했다. ‘바이오닉 유연 흡착 패드와 공기 흐름 완충 시스템’을 활용해 극판을 비접촉·저응력 방식으로 집어 올릴 수 있도록 설계했다. 여기에 특허 기반 압흔 기술을 적용해 황화물과 산화물 등 고체 전해질 소재의 파손률을 거의 제로 수준으로 낮추며 공정 초기 단계에서부터 수율을 안정적으로 확보하도록 했다.

투자 효율 측면에서도 공정 통합을 통해 비용 절감 효과를 구현했다. LEAD는 업계 최초로 ‘양면 접착 프레임 온라인 제조와 컷·스태킹 공정 일체화 기술’을 적용해 한 대의 장비에서 전극 시트 제작, 적층, 접착 프레임 제조 기능을 동시에 수행할 수 있도록 했다.

이러한 설계로 장비 설치 면적은 약 50% 감소했고 초기 투자 비용은 약 30% 절감됐다. 또한 모듈형 구조를 적용해 다양한 셀 크기와 기술 경로(황화물·산화물)에 대응할 수 있어 생산 라인 운영 비용을 크게 낮출 수 있다.

이와 함께 나노 수준의 분진 포집 시스템과 마이크로초 단위 환경 모니터링 시스템을 적용해 황화수소, 수분 및 산소 침투, 유해 가스 유출 가능성을 효과적으로 관리할 수 있도록 했다. 이를 통해 전고체 배터리 생산에 필요한 안정적인 제조 환경을 구축했다.

전 공정 통합 전략

단일 기술 돌파에서 턴키 솔루션까지

LEAD는 배터리 제조 전 공정을 연결할 수 있는 기업 가운데 하나로 평가된다. 회사는 전고체 배터리 제조 기술의 핵심을 양산 가능성 확보에 두고 관련 기술 개발을 추진해 왔다. 핵심 적층 장비 외에도 전고체 전극 제조, 전고체 전해질 막 제조 및 복합 장비, 셀 조립, 치밀화 공정 장비, 고압 화성 및 용량 검사 장비까지 전 공정을 아우르는 턴키 솔루션을 제공하고 있다.

전고체 배터리 산업의 전망은 밝지만, 그 길은 멀고 험난합니다. LEAD는 이번 신세대 고효율 양산용 적층 솔루션의 발표는 업계가 '정밀 장비로 앞길의 난제를 해결해 나가는' 과정의 작은 한 걸음에 불과하다고 밝혔다. 앞으로도 회사는 업계 파트너들과 협력하여 기술 혁신에 지속적으로 박차를 가하고, 전고체 배터리가 실험실 연구 개발 단계에서 대규모 양산 단계로 나아가는 과정을 가속화함으로써, 글로벌 신재생에너지 산업의 고품질 발전에 강력한 동력을 주입할 것이라고 전했다.