배터리의 성능과 안전성을 결정하는 핵심 요소 중 하나는 전극이 얼마나 안정적으로 정렬되어 있는지입니다. LG에너지솔루션은 Z-스태킹 공법에 라미네이션 & 스태킹 기술을 결합한 독자 기술인 AZS(Advanced Z-Stacking) 공법을 개발하여, 기존 Z-스태킹 공법보다 더욱 정밀하고 안전한 전극 정렬 기술을 구현하고 있습니다.
이번 Making Every Possibility에서는 AZS 공법의 개발과 양산을 이끌고 있는 LG에너지솔루션 AZS 공정기술팀 김보규 님을 만나 AZS 기술의 차별점과 미래 가능성을 들어보았습니다.
Q. 자기소개와 함께 AZS(Advanced Z-Stacking) 공법에 대해 소개해주세요.
안녕하세요. LG에너지솔루션 AZS 공정기술팀에서 DNC(Drying & Notching & Cutting) 공정과 AZS(Advanced Z-Stacking) 공정을 담당하고 있는 김보규입니다.
AZS는 Z-스태킹(Z-Stacking) 방식에 라미네이션 & 스태킹(Lamination & Stacking, L&S) 공법의 장점을 융합한 기술입니다. Z 모양으로 접힌 분리막 사이에 재단된 양극과 음극 시트를 놓고 붙여 쌓아 올리는 방법이라고 생각하면 됩니다.
Q. L&S 공법과 AZS 공법의 차이점을 쉽게 설명 부탁드립니다.
그럼 종이를 예시로 들어 L&S 공법과 AZS 공법의 차이를 보여드리겠습니다. 회색 종이가 분리막, 파란색 종이가 음극, 빨간색 종이가 양극이라고 가정해봅니다.
먼저 L&S 공정은 분리막 위에 음극을 쌓고, 다시 분리막을 포갭니다. 그 위로 양극을 쌓아 하나의 모노셀(Mono-Cell)을 만들고, 이렇게 만든 모노셀을 겹겹이 적층해 하나의 셀(Cell)로 제조합니다. 최종적으로 테이핑을 진행하며 공정이 마무리됩니다.
AZS 공정은 먼저 분리막을 Z자 형태로 만드는 것이 핵심입니다. 만들어진 Z형 분리막의 접힌 공간 사이사이에 음극, 양극, 음극을 순서대로 쌓아 하나의 셀을 만들죠. 그 다음 LG에너지솔루션만의 특화된 기술이 적용된 Heat Press 공정을 수행합니다. Heat Press 공정이란 열과 압력을 가해 전극을 눌러 고정하는 열융착 과정으로, 이 단계에서 양극과 음극이 분리막 안에서 정확한 위치에 놓여지게 됩니다.
Q. AZS 공법의 특징과 차별점은 무엇인가요?
LG에너지솔루션의 AZS 공법은 양극과 음극의 접촉 가능성을 구조적으로 차단할 수 있고, 최소한의 접착력만으로 정렬 구조를 잡아주기 때문에 안전성을 높일 수 있다는 점이 장점이 있습니다.
특히 Heat Press 공정을 통해 전극과 분리막 간 접착력을 확보할 수 있다는 것이 LG에너지솔루션 만의 차별점입니다. 열과 압력으로 전극과 분리막도 정밀하게 정렬할 수 있고, 전극 이탈 같은 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 그래서 더 높은 안전성과 신뢰성이 확보되죠.
또 Heat Press 단계를 거치면 셀 내부 공간을 최적화할 수 있다는 장점이 있는데요. 이는 개별의 셀의 용량을 높일 수 있어, 주행거리 증가로 이어집니다.
Q, AZS 공법에서 가장 중요한 요소는 무엇인지 궁금합니다.
AZS 공법 특성상 전극과 분리막 간의 정렬과 접착력이 매우 중요합니다.
정렬의 관점에서, 양극과 음극이 조금이라도 어긋나 단락이 될 경우에는 저항이 0에 가까워지고, 동시에 과도한 전류가 흐르면서 이슈가 발생할 수 있습니다. AZS 공법을 적용하여 만들어진 셀은 분리막이 음극과 양극 사이를 구조적으로 격리시키기 때문에 단락 가능성을 크게 낮춰줍니다.
전극과 분리막이 잘 붙어있게 하는 접착력은 또 다른 핵심 요소입니다. AZS 공법의 후공정인 활성화 공정에서 에이징과 충·방전이 진행하면서 배터리 성능이 결정되는데요. 이때 접착력이 약하면 충·방전 과정에서 리튬이 석출되어 용량 저하나 안전성 문제가 나타날 수 있습니다.
반대로 접착력이 지나치게 강하면 전기화학적으로 열 팽창과 수축하는 과정에서 구조적 변형을 유발할 수 있습니다. 이를 통해 전극의 표면적이 감소하여 전기적 단락이 발생할 수 있죠.
하지만 LG에너지솔루션은 라미네이션 기술 노하우를 기반으로 AZS 공법에 최적의 온도와 압력을 적용해 전극 정렬과 접착력을 확보했습니다. 이를 통해 배터리 성능과 안전성을 모두 잡을 수 있었죠.
Q. 향후 AZS 공법에 대한 LG에너지솔루션의 계획은 무엇인가요?
인도네시아 HLI 그린 파워(HLI Green Power)에서 2024년 4월에 처음으로 AZS 공법을 적용한 양산을 시작했는데요. 처음 양산에 적용한 공법인데도 불구하고, 4개월 만에 수율 99%를 초과하는 성과를 달성했습니다. 이런 성과에 힘입어서 LG에너지솔루션은 AZS 공법을 인도네시아 생산법인과 파우치 폼팩터에 국한하지 않고 다양하게 적용하기 위한 가능성을 열어두고 있습니다.
그리고 지금보다 더 빠른 속도로 생산하기 위한 공법도 개발하고 있는데요. 이를 위해 공정과 연계된 머신러닝과 AI 연구도 활발하게 진행하고 있습니다.
지금까지 LG에너지솔루션의 스태킹 기술인 AZS 공법에 대해 알아보았습니다. 라미네이션 & 스태킹 공법과 Z-스태킹 공법을 결합하고, Heat Press를 통해 더 높은 안전성과 신뢰성을 확보한 LG에너지솔루션. 앞으로도 고품질, 고성능 배터리 개발을 위한 무한한 가능성을 이어갈 테니 많이 기대해 주세요!
