리튬메탈 음극 제조 공법 4종 비교
이번 달 EcoEnergy(Wiley)에 리튬메탈 음극 제조 공법 네 가지를 같은 기준으로 비교한 리뷰 논문이 실렸습니다.
공법별 비교
| 압출 | 용융 주입 | 전기도금 | 진공 증착 | |
|---|---|---|---|---|
| 두께 | 20~100 µm | 10~100 µm | 1~50 µm | nm~10 µm |
| 순도 | ≥ 99.9% | ≥ 99.9% | ≥ 99.9% | ≥ 99.99% |
| 표면 조도 | 보통 | 호스트 의존 | 조절 가능 | 매우 우수 |
| 생산 속도 | 10~50 m/min | < 10 m/min | m/min급 | 낮음~중간 |
압출과 용융 주입은 비용과 생산성에서 유리하지만 10 µm 이하로 얇게 만들기 어렵습니다. 전기도금은 두께 제어가 쉬운 반면, 도금액의 순도가 막 품질에 그대로 반영됩니다. 진공 증착은 순도와 표면 평탄도가 가장 우수하지만 생산 속도가 상대적으로 느립니다. 리뷰는 이 속도를 앞으로 기술적으로 개선해야 할 과제로 꼽았습니다.
두 공법을 결합하는 방식도 함께 소개됐습니다. 진공 증착으로 순도 높은 시드층을 만든 뒤 전기도금으로 두께를 올리면, 깨끗한 핵생성 표면과 빠른 성막 속도를 함께 확보할 수 있습니다. 리뷰가 제시한 산업 목표는 350 Wh/kg 셀 기준 20~30 µm, 500 Wh/kg 셀 기준 10~15 µm이며, 표면 조도는 Sa 0.5~1.0 µm 이하입니다.
양산 동향
- Ganfeng Lithium: 500 Wh/kg 전고체 배터리 소량 양산을 시작했습니다. 400 Wh/kg 기준 1,100 사이클 이상을 검증했고, eVTOL 탑재를 목표로 합니다.
- Basquevolt: BQV400L을 출시했습니다. 402 Wh/kg, 27 Ah, 8.9C 펄스 성능의 폴리머 전해질 셀로, 유럽의 기존 기가팩토리 라인에서 그대로 생산할 수 있도록 설계했습니다.
- Pure Lithium: 500 MWh 규모 전고체 라인을 풀가동하고 있습니다. 50 Ah 셀에서 6,000~8,000 사이클을 주장했고, 절단 시험 통과 결과를 공개했습니다.
- QuantumScape: JB Straubel을 전략자문위원으로 영입하고, 적용 분야를 전기차에서 AI 데이터센터와 항공우주로 넓혔습니다.
- Solid Power: 황화물 전해질 생산능력을 연 30 MT에서 75 MT로 늘렸습니다.
- 중국과학원 금속연구소(JACS 게재): PVDF계 전고체 리튬메탈 전해질로 Ah급 파우치셀에서 451.5 Wh/kg을 구현했습니다. 20C 조건 700 사이클에서 용량 유지율 81.9%를 기록했고, 못 관통 시험도 통과했습니다.
무음극 배터리 상용화 전망
무음극 셀은 음극 활물질 없이, 첫 충전 때 리튬이 집전체 위에 직접 석출되는 구조입니다. 전고체 배터리 시장은 2033년 $33.3B(CAGR 36.4%)로 전망되며, 900 Wh/L 이상의 에너지 밀도가 가능하고 상용화는 2027년부터로 예상됩니다.
해결해야 할 과제로는 부피 팽창, 덴드라이트 성장, 수백 사이클 동안의 리튬 석출 효율 유지가 꼽힙니다. 현재 전고체 셀 원가는 리튬이온 대비 3~5배 수준이며, 2030년까지 1.5배로 낮추는 것이 목표입니다.
초기 적용 분야로는 자동차보다 휴머노이드 로봇, 도심항공모빌리티(UAM), 방산, 드론처럼 원가보다 무게가 중요한 분야가 먼저 꼽히고, 프리미엄 전기차가 그 뒤를 이을 것으로 보입니다.
FLUX의 관점
상용화 방식은 기존 라인에 그대로 적용하는 드롭인 셀과, 셀을 직접 만들지 않고 소재를 공급하는 방식으로 나뉘고 있습니다. 어느 쪽이든 무음극 셀의 초기 성능은 첫 충전 때 리튬이 집전체 위에서 얼마나 균일하게 핵생성되는지에 달려 있습니다.