차세대 ‘각형 배터리’ 혁신 또 혁신… 신기술 입혀 화재 원천차단[안전 경영으로 100년기업 초석 다진다]

■ 안전 경영으로 100년기업 초석 다진다 - (3) SK
‘Z폴딩 적층’ 셀스트레스 최소화
양·음극 지그재그로 쌓아 안전
열전파 차단 ‘S팩’ 기술도 심어
이중층 코팅에 高니켈 양극재 써
18분만에 80% 충전하고 성능↑
업계첫 안전성 평가센터도 가동

SK온 연구원이 대전 유성구 SK온 미래기술원 내 파일럿 라인에서 안전성 검사를 마친 파우치형 배터리를 소개하고 있다. SK온 제공

대전 = 김성훈 기자

“안전을 최우선으로 하는 첨단 기술만 활용한다는 철학에 기반해 Z폴딩 적층 기술을 현 3세대까지 끌어올렸습니다. 더 안전한 제품을 만들겠다는 고민을 끊임없이 하다 보니 생산성도 1세대 대비 2.3배나 높아졌습니다.”

지난 5일 대전 유성구 SK온 미래기술원 내 각형 배터리 파일럿 라인. 양산 전 샘플을 시험 생산하는 이곳에 마스크와 방진복을 착용하고 들어서자 출입구에 설치된 ‘에어워시룸’이 가장 먼저 방문객을 맞았다. 강력한 바람을 통해 신체 이물질을 털어내는 장비로 제품 안전성을 위해 무균 상태를 유지해야 하는 배터리 양산 공정의 첫 시작 단추다.

에어 샤워 이후 내부로 들어서자 SK온의 안전 혁신 기술이 집약된 ‘Z폴딩 스태킹(적층)’ 장비가 분주히 가동되고 있었다. Z폴딩은 배터리 내부의 분리막 사이에 양극과 음극을 지그재그 방식으로 균일하게 쌓는 적층 방식이다. 공정 전반을 소개한 김성엽 SK온 각형셀공정개발팀 팀장은 차세대 각형 배터리의 안전성을 보장하는 핵심 기술 Z폴딩 기법에 대해 “정확한 정렬을 통해 배터리 셀 스트레스를 최소화하고, 양·음극 접촉을 막아 발화나 화재 발생 가능성을 사실상 원천 차단할 수 있다”며 “고속 적층과 관련해 업계 최고 수준의 정렬 전극 제조 기술을 보유하고 있어 배터리 생산 속도가 증가해도 탁월한 안전성을 구현한다”고 강조했다.

SK온이 최근 차세대 각형 배터리 개발을 완료하고 양산을 위해 속도를 높이고 있다. Z폴딩 외에도 ‘S팩’이라는 신기술을 개발, 배터리 내 열 확산을 제어하고 에너지 밀도를 제고했다. S팩은 안전 성능을 강화하는 일종의 열전파 차단(No TP·Thermal Propagation) 기술이다. 가스 경로 제어를 통해 화재 발생 시 열이 다른 셀과 배터리 팩의 나머지 부분에 확산하지 않도록 돕는다. 파우치형과 달리 외형을 금속 케이스로 설계했으며, 고열과 가스를 빠르게 내보내기 위한 벤트(배출구)도 단·양방향 맞춤 제작이 가능하다. 김 팀장은 “배터리는 전기차 등에 밀접한 상태로 탑재되기 때문에 화재 시 연쇄 폭발이 일어나 큰 사고로 이어질 우려가 있다”며 “SK온 각형 배터리는 자체 개발한 S팩 기술을 접목해 다른 셀로 불이 옮겨붙는 상황을 최소화한다”고 말했다.

각형 배터리는 안전을 우선시하며 생산 및 공급 전 과정에 엄격한 기준을 적용한 결과, 안정적 성능도 확보했다. 기존 단층 코팅 전극과 다른 전기 화학적 특성을 활용해 이중층 코팅을 구현, 단 18분 만에 80% 충전이 가능하다. 현재 국내 기업에서 출시된 모든 배터리 중 가장 빠른 충전 속도다. 또 에너지 밀도가 높은 고(高)니켈 양극재를 적용해 기존 배터리 대비 높은 용량을 구현하면서도 열 안전성, 수명 등에서도 우수한 성능을 확보했다.

미국 조지아주 SK온 공장에서 직원들이 안전성 검증 시스템 아래 전기차용 배터리를 생산하고 있다. SK온 제공

SK온은 또 전 세계 고객들에게 고품질 배터리를 공급하기 위해 2023년 국내 업계 최초로 충남 서산에 배터리 안전성 시험·분석·개선 연구 등 원스톱 솔루션 기능을 갖춘 ‘안전성 평가센터’도 개소했다. 연 면적 3392㎡ 규모인 이곳에서는 컴퓨터단층촬영(CT) 장비를 활용한 비파괴 분석을 비롯해 배터리 해체를 통한 구조 분석 등 다양한 안전성 검증 시험을 수행하고 있다.

에너지저장시스템(ESS) 전용인 ‘LFP’ 배터리도 안전에 주안점을 두고 설계됐다. 공간 효율성이 높은 파우치 배터리를 적재해 고전압 모듈을 적용한 것이 특징이다. 통상 ESS 제품은 일정 전압 확보를 위해 랙(Rack) 단위 설계가 필요하지만, SK온은 이보다 더 작은 단위인 모듈 기반으로 용량을 유연하게 구성·확장했다.

SK온은 향후 잠재력이 큰 북미 지역을 중심으로 ESS 사업을 확대해 나간다는 구상이다. 지난 9월 미국 재생에너지 기업인 플랫아이언과 1기가와트시(GWh) 규모의 ESS 공급 계약을 체결했다. 추가로 플랫아이언이 오는 2030년까지 매사추세츠주를 포함한 미국 각지에서 추진하는 6.2GWh 규모에 대한 우선 협상권도 확보했다. 이석희 SK온 CEO는 “배터리 사업에서 안전성과 신뢰는 최우선 가치”라며 “안전성을 기반으로 글로벌 ESS 시장에서 영향력을 확대할 것”이라고 말했다.

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김성훈 기자