테슬라, 건식전극 공정 특허 공개…머스크표 효율성 담겼다

가루에서 전극까지 한 시스템에서 완성…다단 롤러 시스템이 핵심

롤러 사이를 지나가며 필름형태로 만들어지고 있는 모습. (사진=USPTO)

[더구루=홍성일 기자] 테슬라가 개발한 건식전극 공정 기술이 공개됐다. 이번에 공개된 특허는 일론 머스크 최고경영자(CEO)가 강조하는 극한 효율성이 그대로 담겼다는 평가를 받고 있다. 테슬라는 텍사스 뿐 아니라 베를린 기가팩토리에서도 건식전극 공정을 활용해 배터리를 생산할 것으로 보인다.

9일 업계에 따르면 미국특허청(USPTO)은 최근 테슬라의 건식 전극 제조시스템과 방법(SYSTEM AND METHODS FOR MANUFACTURING A DRY ELECTRODE) 특허를 공개했다. 이는 앞서 테슬라가 지난해 11월 10일 출원한 것이다. 

이번에 공개된 특허에는 테슬라의 건식전극 공정이 상세하게 담겼다. 건식전극은 기존 습식공정보다 저렴하게 배터리를 제작할 수 있는 기술로 주목받아왔다. 습식공정은 얇은 금속판(집전체) 위에 활물질과 도전재, 바인더를 섞은 슬러리 균일하게 발라 고온건조한 후 압착하는 방식이다.

습식 공정의 단점으로는 슬러리 제조 과정에서 다량의 유기용매가 사용된다는 것과 고온건조를 위해 거대한 오븐이 필요하다는 점이다. 유기용매는 사용 후 수거과정을 거쳐야 하며, 건조 오븐의 가동에는 넓은 공간은 물론 막대한 에너지와 시간이 소모된다. 이에 배터리 가격을 올리는 원인으로 꼽혀왔다.

테슬라는 지난 2019년 건식 전극 공정을 연구하고 있던 맥스웰 테크놀로지를 인수하는 등 관련 기술을 꾸준히 연구해왔다. 테슬라는 2020년 배터리데이에서 자체 개발한 건식공정을 처음 선보였다. 2024년에는 1세대 건식 전극 기술을 바탕으로 배터리를 생산했다. 하지만 1세대 건식공정은 양극재에 적용되지 못해 반쪽짜리라는 평가를 받았다.

완전한 건식공정 기술은 지난해 말 확인됐다. 테슬라는 작년 8월 출원한 특허를 통해 양극재도 건식공정으로 생산할 수 있게 됐다고 소개했다. 테슬라는 특허 서류를 통해 집전체에 압착되는 결합제(바인더)에 PVFD(폴리비닐리덴플루오라이드)나 PVFD-코폴리머, PEO(폴리옥시에틸렌)와 같은 고분자 물질을 혼합해 문제를 해결했다고 설명했다.

이번에 공개된 특허에서는 원재료 상태에서 전극을 완성할 때까지의 과정이 상세하게 소개됐다. 테슬라 건식전극 공정은 전극을 구성하는 활물질, 도전재, 바인더를 분말형태로 혼합하는 것으로 시작된다. 활물질은 리튬이온을 저장하고 제공하는 역할을 하는 핵심 재료이며, 도전재는 전기가 잘 흐르도록 돕는 역할을 하는 소재다. 바인더는 각 재료가 잘 붙도록 해주는 일종의 '풀'이다.

혼합된 분말은 제트밀(Jet-mill)이라는 장치를 지나간다. 제트밀을 지나가는 과정에서 결합체에 강력한 물리력이 가해진다. 이 과정에서 결합체가 늘어나면서 섬유형태를 띠게 된다.

건식전극을 생산하는 기계. 다수의 롤러 등을 확인할 수 있다. (사진=USPTO)

섬유화된 결합체는 이후 여러 개의 롤러를 지나가면서 필름 형태를 가지게 된다. 테슬라는 다수의 롤러를 설치하면서 뒤에 있는 롤러가 앞에 있는 롤러보다 빠르게 돌아가도록 만들었다. 이 과정에서 전단력(Shear force)이 생성된다. 전단력은 물체를 서로 엇갈리게 밀어내는 힘이다. 예컨대 밀가루 반죽을 한 손은 앞으로, 다른 손은 뒤로 밀면 길게 늘어나는데, 이 때 반죽에 작용하는 힘이 전단력이다.

즉 별도의 장치없이 롤러의 회전 속도 차이만으로 분말을 필름 형태로 만들 수 있게 된 것이다. 여기에 롤러가 끊어지기 뼈대역할을 동시에 수행해 필름이 원활하게 형태를 유지할 수 있다.

마지막 단계에서 필름은 집전체와 결합돼 전극으로 완성된다. 사실상 하나의 기계에 가루를 넣으면 완제품이 만들어지는 시스템이 완성된 것이다. 업계는 테슬라 건식전극 공정에 일론 머스크표 효율성이 담겼다고 평가하고 있다. 집전체는 활물질 등을 지지하고 전자가 이동할 수 통로가 되는 박막형태 소재다. 통상적으로 양극에는 알루미늄 포일, 음극에는 구리 포일이 사용된다.

업계 관계자는 "테슬라의 건식전극 공정은 공장 점유 면적과 생산 비용을 대폭 절감할 수 있는 기술"이라며 "전기차는 물론 휴머노이드, 항공우주 분야에도 긍정적 영향을 미치게 될 것"이라고 말했다.

테슬라는 텍사스 기가팩토리에 이어 베를린 기가팩토리에서도 건식전극 공정을 활용해 배터리를 생산할 것으로 보인다.

이는 최근 테슬라가 게재한 구인 공고를 통해 확인할 수 있다. 테슬라는 해당 구인 광고를 통해 베를린 기가팩토리에서 근무할 배터리셀용 캘린더링(롤러), 라미네이션(결합) 엔지니어를 모집했다. 건식전극 공정 설비를 관리할 인력을 뽑았다고 볼 수 있는 대목이다.

테슬라는 1억 유로(약 1720억원)를 투입해 내년부터 베를린 기가팩토리에서 8기가와트시(GWh) 규모 배터리셀을 생산할 예정이다.