3D프린팅을 통한 전고체 배터리 제조

배터리의 기술 개발 방향

대부분의 리튬 배터리 개발사들은 주로 에너지 밀도 향상을 기준으로 기술 발전의 척도를 나타내고 있다. 에너지 밀도는 차량의 주행 거리를 증가시킬 수 있는 중요한 기술 발전의 척도라고 할 수 있다.

그러나 리튬 배터리의 기술 발전은 에너지 밀도 외에도 아래 그림과 같이 고출력, 저가, 고안전성, 유연성 있는 형태 등의 기술 항목에서도 기술 개발이 이루어지고 있다.

특히 전고체 배터리의 상용화 가능 기술이 개발되면서 배터리의 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

배터리의 5가지 기술 개발 방향

배터리의 형상을 자유롭게 하기 위한 기술

기존의 리튬 이온 배터리뿐 아니라 대부분의 배터리의 형태는 원통형이나 사각 형태의 배터리였다. 이렇게 형태가 정해진 배터리는 제품 제조 시에 낭비되는 공간이 발생하며 제품 디자인에도 제한을 가져오게 된다.

이러한 형태의 제한을 극복하기 위해 아래 표와 같이 다양한 시도가 이루어져 왔다. 가장 보편적으로 적용되었던 기술은 아래 표에서 설명하는 것처럼 적층 기술을 이용해 다양한 형태의 파우치 배터리를 만드는 것이었다. 이러한 기술은 제품 디자인의 자유도를 높이고 공간의 낭비 없이 에너지 밀도를 높일 수 있었다. 그러나 이러한 방법은 2D이상은 제작이 어려웠고 다품종 소량 생산은 적합하지만 대량 생산에는 적합하지 않아 한계가 있었다.

기술	형상	전해질	제조사
적층 기술을 이용해 다양한 형태로 제작할 수 있으나 2D이상은 제작이 어려움		액체 전해액	Routejade(한국) ATL(중국)
자유롭게 구부리고 접을수 있음.		반고체 전해액(HSSB)	Jenax (한국)
3D프린팅을 통해 배터리의 형태를 더 자유롭게 제작		전고체 전해질(ASSB)	SAKUU (미국) Blackstone (스위스)
PVD, ALD 방법으로 Multi- dimensional한 형태로 제작 가능			SANDIA (연구중)

또 다른 시도는 자유롭게 구부리고 접을 수 있도록 하는 시도이다. 이러한 형태의 배터리는 구부리고 접는 특성을 이용해 의복 등에 설치해 Wearable기기 등을 작동하는데 적용될 수 있지만 두껍게 제작하기 어려워 다른 용도로는 사용하기 어렵다.

아직 연구가 진행되고 있는 분야는 반도체에 사용하는 PVD (Physical Vapor Deposition)나 ALD (Atomic layer deposition) 기술을 사용하여 배터리를 제작하는 것이다. 이 기술을 이용하게 되면 배터리를 더 정교하고 형태를 자유롭게 만들 수 있고 에너지 밀도를 극대화할 수 있다. 그러나 이는 EV나 ESS 같은 대용량을 필요로 하는 배터리 제작에는 적합한 방법은 아니다.

대용량으로 배터리를 제작하고 제품 디자인에 맞추어 공간 낭비 없이 제작하는 방법으로 현실화되고 있는 방법은 3D 프린팅을 이용한 배터리의 제작이다. 3D 프린팅으로 배터리를 제작하기 위해서는 우선 전고체 전해질이 개발되어야 하는데 최근 전고체 전해질 기술의 발전으로 3D 프린팅을 이용한 배터리의 제작이 현실화 되고 있다.

 

3D 프린팅을 이용한 배터리 생산기술

현재 3D 프린팅을 이용해 배터리를 대량 생산하려고 하는 대표적인 회사는 미국의 SAKKU와 스위스의 Blackstone이다.

Blackstone은 2021년 4월에 3D 프린팅을 이용한 전고체 배터리 개발을 처음으로 발표했고 SAKUU는 2022년 8월에 실리콘 밸리에 3D 프린팅 전고체 배터리 생산을 위한 파이롯 라인 설치를 완료했음을 발표했다. 

 

Blackstone

스위스 기업 블랙스톤 리소스(Blackstone resources)의 독일 자회사인 블랙스톤 테크놀로지(Blackstone Technology)는 2021년 4월 처음으로 작동하는 전고체 배터리 배터리를 3D 프린터로 인쇄하고 시험하는 데 성공했다고 발표했다. 이 회사는 전고체 뿐 아니라 액체 전해액 배터리용 3D 프린팅 기술을 자동화하는 기술도 개발하고 있다고 밝혔다.

Blackstone의 전고체 배터리

블랙스톤 테크놀로지는 아래와 같이 자사가 3D 프린팅 전고체 배터리의 3가지 중요한 기술을 가지고 있다고 발표했다.

- 3D 프린터로 인쇄되고 기계적으로 안정된 고체 상태 전해질막 완성

- 인쇄 가능한 복합 양극(고체 전해질과 LiFePO4 복합체)의 생산

- 사각형(5x5cm) 파우치 배터리 제작 프린팅 공정

Blackstone 의 3D 프린팅 전고체 배터리 제조 설비

이러한 기술을 바탕으로 제작된 배터리는 기존 액체 전해질 배터리 배터리 설계에 비해 상당한 생산 비용 절감, 배터리 에너지 밀도 증가, 배터리 수명의 향상 등의 이점을 제공한다고 밝혔다. 또 이 배터리는 수용성 화학물질로 생산돼 환경에 덜 유해하고 재활용이 용이하여 더욱 환경 친화적이라고 덧붙였다.

 

SAKUU

미국 캘리포니아 실리콘밸리의 새너제이에 본사를 둔 3D 프린팅 스타트업인 Sakuu (옛 KeraCel)는 현재 생산되고 있는 리튬 이온 배터리의 성능과 동등 이상의 전고체 배터리를 개발했다고 발표했다.

SAKUU 의 전고체 배터리

SAKUU는 이 시제품 3D 프린터 시스템이 최초의 전고체 배터리 제조용 자동 3D 프린터로 발전할 것으로 기대하고 있다.

SAKUU는 자사의 3D 적층 제조 플랫폼인 Kavian플랫폼을 가지고 3Ah 용량의 시제품 배터리를 만들어냈다고 발표했지만 이 배터리는 SAKUU가 아래 로드맵에 공개한 800Wh/L 체적 에너지 밀도를 가지는 1세대 전고체 배터리는 아니다.

1세대 전고체 배터리는 아직 3D 프린팅 기술을 사용한 것은 아니고 2024년 개발 완료하는 1200WH/L 체적 에너지 밀도를 가지는 2세대 전고체 배터리부터 3D 프린팅 기술을 사용한다고 한다.

SAKUU 의 전고체 배터리 로드맵

1세대 전고체 배터리는 현재 200 cycle에 97%의 용량 보존율을 보이고 있고 800 Cycle에서 80%의 용량 보존율을 보일 것으로 예상한다고 한다.

1200Wh/L 이상을 내는 2세대의 완전 3D 프린팅 전고체 배터리는 기존 리튬 이온 배터리보다 2배의 부피 에너지 밀도를 가지며 무게는 30% 이상 더 가볍게 만들 수 있을 것으로 예상하고 있다.

칼 리타우 (Karl Littau) SAKUU 최고 기술 책임자(CTO)는 “최고의 에너지 밀도를 얻기 위해 배터리 성능에 도움이 되지 않는 모든 요소의 부피를 최소화하길 원한다. 3D 프린터가 이를 실제로 가능하게 한다”고 말했다.

 

이 회사의 3D 프린팅 플랫폼은 매사추세츠공대(MIT)가 개발한 바인더 제트 인쇄 프로세스를 기반으로 한다. 바인더 분사에서는 얇은 분말 입자 층에 액체 약품이 침전된다. SAKUU는 현재 금속 분사 및 세라믹 바인더 분사를 단일 구조로 결합할 수 있다고 밝혔다.

 

SAKUU의 Kavian Platform 3D 프린팅 제조라인

SAKUU는 자사의 3D 프린팅 배터리 제조 공정이 전기차를 염두에 두고 설계됐다고 밝혔다. SAKUU는 일본 자동차 부품 업체 무사시세이미쓰(武蔵精密工業)의 지원을 받고 있다.

그러나 전기차만을 잠재적 시장으로 보고 있지는 않다고 밝혔다. 3D 프린팅의 플랫폼으로 이륜 스쿠터용 배터리부터 사물인터넷(IoT) 기기 및 의료 장비용 센서까지 모든 것을 만들 수 있다고 언급했다.

 

3D 프린팅 전고체 배터리의 장점

기본적으로 3D 프린팅으로 배터리를 제조하려면 기존의 액체 전해액을 사용하는 시스템으로는 불가능하다. 따라서 전고체 배터리 기술의 개발이 선행되어야 한다.

아래 표에 3D 프린팅 전고체 배터리의 장점을 정리하였다.

분류	장점	내용
성능향상	고용량	낭비되는 공간이 없기 때문에 에너지 밀도가 크다
	장수명	수명이 길다
	고안전성	불연성으로 안전성이 우수하다
	쾌속충전	15분이내에 80%충전이 가능하다.
비용절감	재료낭비 없음	재료 낭비가 없고 생산비용을 절감할 수 있다.
	건설비용 감소	공장건설위한 큰 공간이 필요없고 설비가 단순하다.
생산속도	고속 생산	공정이 단순화되어 고속으로 많은 양을 생산할 수 있다.
	기종변경 용이	금형 제작 없이 프로그래밍을 통해 형상과 크기가 다른 배터리 생산으로의 전환을 빠르고 쉽게 할수 있다.
재활용	재활용시 가공처리 쉬움	모든 소재가 분말로 이루어져 있어 재활용과 재사용에 유리하다.
고객 만족	제품 디자인 개선	고객이 원하는 형태로 배터리모양을 제작할 수 있어 디자인 자유도를 높일수 있다.

 

■성능 향상

성능 측면의 장점인 고용량, 장수명, 고안전성, 쾌속 충전은 3D 프린팅으로 제조한 전고체 배터리의 장점이 아니라 일반적인 전고체 배터리의 장점이라고 할 수 있다. 

핸드폰에 장착된 3D 프린팅 전고체 배터리

3D 프린팅을 이용하여 전고체 배터리를 제조하게 됐을 때 장점은 위 그림에서 보는 것처럼 제품의 빈 공간들도 활용하여 배터리로 제조할 수 있다는 점이다. 이렇게 되면 낭비되는 공간 없이 배터리를 제조할 수 있기 때문에 일반 전고체 배터리보다도 더 고용량을 낼 수 있게 된다.

 

■비용절감

재료 낭비 없음
일반적인 배터리 제조 시에는 극판, 세퍼레이터, 전해액, 케이스 등의 부품을 원하는 크기에 맞거나 절단하거나 하면서 폐기되는 부분이 발생한다. 3D 프린팅으로 제조하는 경우에는 버려지는 부분 없이 제조 가능하므로 생산 비용을 절감할 수 있다.

 

공장 건설 및 운영 비용 감소
기존 배터리 제조 라인의 경우 극판 공정, 조립 공정, 화성 공정을 위한 각각의 넓은 공간과 다양한 기능의 설비들이 많이 필요하였다. 그러나 3D 프린팅의 경우 아래 그림과 같이 극판, 조립, 화성 공정을 통합하여 한 공간 안에서 이루어지도록 할 수 있고 극판 공정과 조립 공정은 3D 프린팅 설비 하나로 배터리 제조가 가능하다. 따라서 공장 건설을 위한 부지를 줄일 수 있고 그에 따른 공장 운영을 위한 유틸리티 비용도 감소시킬 수 있다. 또한 설비가 단순화되어 설비 투자 비용도 감소된다. Blackstone은 3D 프린팅 공장 건설 비용이 기존 배터리 제조 공장 건설 비용보다 70% 절감할 수 있다고 말한다.

Blackstoone의 3D프린팅 전고체 배터리 생산라인 구성도

아래 그림은 Blackstone이 건설 예정인 0.5 GWh의 파이롯 라인을 컴퓨터 그래픽으로 제작한 것이다. 그림에서 보는 것처럼 2층 구조로 된 4개의 생산라인을 갖추고 있고 이 라인에서 극판 코팅부터 조립까지가 이루어진다.

Blackstone 의 0.5GWh Pilot line 예상도

아래 그림은 각 5 GWh규모의 2 공장과 3 공장의 예상도이다.

Blackstone 의 10GWh 공장 예상도 (공장 2: 5GWh, 공장 3: 5GW)

■생산속도

고속 생산
앞서 언급한 바와 같이 기존 배터리 생산라인은 극판, 조립, 화성 공정이 별도의 공간에서 진행이 되고 공정이 복잡하며 설비의 수가 많다. 3D 프린팅으로 제조하는 경우에 극판, 조립이 한 라인에서 이루어지기 때문에 고속 생산이 가능하다.

SAKUU의 배터리 제조 공정

기종 변경 용이
기존 배터리 제조 라인은 배터리의 사이즈에 따라 설비의 금형을 교체하거나 조정해야 한다. 일단 제조하고자 하는 사이즈의 금형을 제작하는데 시간이 걸린다. 금형이 제작되었다 하더라도 금형을 교체하고 조정하는데 시간이 걸리고 설비 변경으로 인한 생산 손실과 불량률이 발생해 시간과 비용이 들게 된다. 이러한 금형 변경의 손실을 줄이기 위해 일반적으로 한 종류의 배터리만 생산하는 전용 라인으로 운영하는 경우가 많기 때문에 한 라인에서 다양한 사이즈의 배터리를 생산하기는 쉽지 않다 그러나 3D 프린팅 제조 라인은 금형을 사용하지 않고 간단하게 프로그램 변경을 통해 생산하고자 하는 배터리의 사이즈와 형태를 간편하게 변경할 수 있기 때문에 생산 손실이 적고 한 라인에서 다양한 배터리의 생산이 가능하다.

프로그램 변경을 통해 다양한 형태와 사이즈의 배터리를 제작할 수 있디.

■재활용

재활용이 용이
기존 제조 라인에서 제조 된 배터리를 재활용하기 위해 어려운 일 중에 하나는 폐배터리로부터 재활용할 물질을 분리해내는 작업이다. 이것을 추출해내는 작업이 용이하지 않고 회수율을 높이는 것이 관건이다.

3D 프린팅으로 배터리를 제조하기 위해서는 모든 소재들이 분말 형태로 투입되어야 한다. 분말 형태로 제조된 배터리는 나중에 재활용을 위해 유용한 물질을 추출해낼 때 추출 방법을 복잡하게 하지 않고도 회수율을 높일 수 있다.

 

■고객만족

높은 디자인 자유도. 
기존 리튬 이온 배터리의 배터리 형태는 원통형 아니면 사각형이었다. 따라서 고객이 제품 디자인을 할 경우 배터리의 형태를 고려해 제품을 디자인해야 했고 이는 제품 디자인의 제약을 가져왔다. 그러나 전고체 배터리가 적용되면서 형태를 좀 더 자유롭게 제작할 수 있는 가능성이 생겼다. 3D 프린팅은 이러한 전고체 배터리의 장점을 살려 고객이 원하는 형태로 배터리를 제조할 수 있게 해 주어 제품 디자인의 자유도를 높일 수 있다. 
아래 그림은 전기 자전거와 배터리의 모습이다. 전기 자전거의 디자인에 맞춰 배터리의 모양을 제조해 장착하므로 제품 디자인의 제약 조건을 없앨 수 있다.

전기 자전거의 디자인에 맞춰 장착된 3D 프린팅 전고체 배터리

전고체 배터리를 제조하는 최적의 방법은 3D 프린팅 제조방법

전고체 배터리 기술을 설명할 때 주로 에너지 밀도를 높이고 안전성을 향상 시킬 수 있다는 점을 강조하지만 또 다른 기술의 장점은 형상을 자유롭게 만들 수 있다는 점이다.
이러한 전고체 배터리의 장점을 가장 잘 구현할 수 있는 제조 기술이 3D 프린팅 기술이다.

3D 프린팅 기술은 형상을 자유롭게 제조할 수 있다는 장점 외에도 앞서 살펴본 바와 같이 고용량, 비용 절감, 생산 속도, 재활 용면에서도 기존 리튬 이온 배터리를 능가할 수 있는 장점이 있다. 
성능 면에서의 장점 외에도 비용 절감과 생산 속도가 빠른 장점은 배터리 가격을 낮추는 요인으로 작용할 것이고 이는 향후 전기 자동차의 보급을 가속화시키는 요인으로 작용할 것으로 보인다.

 

개발단계부터 3D 프린팅 제조 방법을 고려해야 한다.

3D 프린팅 제조기술이 더 확대 적용되고 보편적으로 양산되기 위해서는 3D 프린팅 제조 방법의 근간이 되는 전고체 배터리 기술의 개발이 선결 되어야 한다. 앞서 언급한 Blackstone과 SAKUU도 3D 프린팅 설비들로 제조하는 방법은 고려하고 있지만 실제 전고체 배터리의 기술 개발이 성숙한 단계에 와 있다고 볼 수는 없다.

많은 사람들과 컨설팅 업체들이 전고체 배터리가 기존 리튬 이온 배터리를 능가하는 성능을 발휘하고 안정적으로 양산을 하기까지는 긍정적으로 예측한다 해도 5년은 걸릴 것으로 예상된다.

 

지금까지 다양한 배터리 기술들이 성능은 구현하더라도 제조 방법의 어려움 때문에 쉽게 상용화를 이루지 못하는 문제들이 있었는데 이는 성능 구현에 초점을 맞추고 제조 방법은 고려하지 않았기 때문이다. 특히 전고체 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리의 생산 방식과는 다른 방식으로 제조될 가능성이 높으므로 특히 개발 단계부터 제조 방법을 고려해야 한다. 물론 전고체 배터리의 개발 단계가 아직 성능을 구현하는 것에 초점을 맞출 수밖에 없어 제조 방법까지 고려하기 어렵다고 할 수 있지만 개발 단계부터 전고체 배터리의 장점을 잘 살릴 수 있는 제조 방법을 염두에 두고 재료나 설계들을 고려한다면 상용화의 기간을 상당히 단축시킬 수 있을 것이다. 

 

특히 3D 프린팅으로 전고체 배터리를 제조하는 방법은 전고체 배터리의 장점들을 최대한 살릴 수 있는 방법이다.

전고체 배터리를 개발하는 배터리 업체들이나 연구소들은 재료의 선정이나 설계 파라미터들을 3D 프린팅을 염두에 두고 개발하는 것이 바람직할 것으로 보인다.