전기차를 넘어 휴머노이드 로봇, UAM(Urban Air Mobility)까지 배터리의 활용 영역이 다양해지고 있습니다. 더 안전하면서도 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 차세대 배터리에 대한 기대도 커지고 있는데요. 그 해답으로 주목받는 기술이 ‘전고체배터리(All-Solid-State Battery)’입니다. 여기에 용매를 사용하지 않는 ‘건식 전극 공정(Dry Electrode Process)’이 전고체배터리 상용화의 핵심 공정 기술로 함께 떠오르고 있습니다. 황화물계 전고체배터리의 제조 공정에서 수분을 제어하기 위해서는 건식 전극 공정이 필수적으로 적용되어야 하기 때문입니다.
‘LG Tech Conference 2026’에서 진행된 LG에너지솔루션 김민수 님의 발표를 통해 건식 전극 공정과 전고체배터리의 관계에 대해 자세히 알아보겠습니다.
‘전고체배터리’란 무엇인가?
전고체배터리는 리튬이온배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리입니다. 기존 액체 전해질 기반 리튬이온배터리는 양극과 음극 사이에 다공성 분리막(Porous Separator)을 두어 리튬이온의 이동을 가능하게 하고, 전극 간 단락(Short)을 방지합니다. 이러한 구조는 현재 가장 널리 활용되고 있지만, 다공성 분리막이 얇은 막 형태와 미세한 기공을 가지고 있어 외부 압력이나 구조적 변화에 영향을 받을 수 있습니다. 반면, 전고체배터리는 강도가 높은 고체 전해질을 사용해 외부 충격이나 구조적 변화에도 안정성을 확보할 수 있습니다.
또한 전고체배터리는 리튬금속(Li Metal)과 같은 고용량 음극 소재를 활용하는 데도 유리합니다. 기존 액체 전해질 환경에서 리튬금속 음극을 사용하면 리튬이 음극 표면에 불균일하게 쌓이는 덴드라이트(Dendrite) 때문에 사용에 제약이 있었는데요.
반면 전고체배터리에 적용되는 고체 전해질은 덴드라이트로 발생할 수 있는 셀 손상 문제를 억제하는 데 기여합니다. 즉 전고체배터리는 높은 안전성과 함께 에너지 밀도 향상까지 기대할 수 있어, 높은 잠재력을 갖춘 차세대 기술로 주목받고 있습니다.
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‘황화물계 고체 전해질’의 특징?
고체 전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계 등으로 구분됩니다. 이 가운데 특히 ‘황화물계 고체 전해질(Sulfide Solid Electrolyte)’은 △높은 이온 전도도 △우수한 성형성 △높은 온도 안정성 △고용량 음극 소재 적용 등을 갖춰, 전고체배터리의 핵심 소재 중 하나로 꼽히고 있습니다.
1) 높은 이온 전도도: 황화물계 고체 전해질은 황(S)의 구조적 특성으로 인해 리튬이온이 결정 구조 내부에서 보다 원활하게 이동할 수 있습니다. 산소 이온에 비해 크기가 크고 리튬과의 결합력이 약한 황 이온이 리튬이온의 이동통로를 넓혀주기 때문에 타 소재 활용 대비 높은 이온 전도도를 구현합니다.
2) 우수한 성형성: 전고체배터리는 고체 소재를 기반으로 구성되는 만큼 내부 기공(Pore)을 최소화하는 것이 중요합니다. 기공이 많을수록 계면 저항이 증가해 배터리의 성능 저하로 이어질 수 있기 때문인데요. 황화물계 고체 전해질은 특정 압력 조건에서 성형과 가공이 용이하다는 장점이 있습니다. 이를 통해 내부 기공을 줄이고 전극과 전해질 간 밀착도를 높여 안정적인 계면 형성과 계면 저항 감소에 도움을 줄 수 있습니다.
3) 높은 온도 안정성: 배터리는 충·방전 과정에서 열이 발생할 수 있어 다양한 온도 환경에서 안정적으로 작동하는 것이 중요합니다. 황화물계 고체 전해질은 높은 이온 전도도를 바탕으로 온도 변화에 안정적인 성능 구현에 유리합니다.
4) 고용량 음극 소재 적용: 기존 액체 전해질 환경에서는 발열, 누액, 벤팅(Venting)1 시스템 구축 등의 문제로 인해 리튬금속이나 실리콘과 같은 고용량 음극 소재 적용에 한계가 있었습니다. 반면 황화물계 고체 전해질 기반의 전고체배터리는 이러한 한계를 개선하며, 기존에는 구현이 어려웠던 실리콘 음극이나 무음극(Anodeless) 배터리의 적용 가능성을 넓히고 있습니다. 이를 통해 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 고에너지 밀도 배터리 설계가 가능합니다.
실제로 LG에너지솔루션은 UCSD와의 공동 연구를 통해, 실리콘 음극과 황화물계 고체 전해질을 조합한 전고체배터리에서 장수명의 구동 가능성을 확인했습니다.
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황화물계 전고체배터리, 왜 ‘건식 전극 공정(Dry Electrode Process)’이 필요할까?
황화물계 고체 전해질의 생산에는 왜 건식 전극 공정이 필수적일까요? 그 이유는 황화물계 고체 전해질이 수분과 용매에 매우 민감하다는 데 있습니다.
황화물계 고체 전해질은 NMP와 같은 극성 유기 용매와 접촉할 경우, 소재 열화가 발생할 수 있어 습식 전극 공정에 그대로 적용하는 데에 제약이 있습니다. 무극성 용매를 사용하는 방법도 고려할 수 있지만, 제조 과정에서 수분 유입 가능성을 완전히 차단하기는 어렵다는 한계가 있죠. 실제로 황화물계 고체 전해질은 미량의 수분에 노출되는 것만으로도 열화가 시작될 수 있어, 용매와의 접촉 자체를 최소화하는 것이 매우 중요합니다.
이에 건식 전극 공정이 전고체배터리의 핵심 공정 기술로 주목받고 있습니다. 건식 전극 공정은 기존에 널리 사용되는 습식 전극 공정과 달리, 용매(Solvent) 없이 활물질·도전재·바인더를 혼합해 고체 상태의 파우더를 제조한 뒤 이를 집전체에 직접 코팅하는 전극 제조 방식입니다.
용매를 사용하지 않는 건식 전극 공정은 고체 전해질이 용매와 접촉할 가능성을 원천적으로 줄일 수 있기 때문이죠. 생산 효율 측면에서도 이점이 있는데요. 황화물계 전고체배터리를 습식 방식으로 생산하려면 수분 건조를 철저히 해야 해서 긴 드라이룸(Dry Room) 공정 라인이 필요합니다. 이에 따른 에너지 사용량과 운영 비용 부담 역시 커질 수 있는데요. 건식 공정은 이러한 부담까지 함께 줄여줍니다.
건식 전극 공정의 주요 장점
황화물계 고체 전해질 생산에 적합한 건식 전극 공정은, 공정 효율을 넘어 다양한 측면에서 강점을 보입니다.
1) 비용 절감: 기존 습식 전극 공정에서는 슬러리(Slurry)에 포함된 용매를 건조하기 위해 매우 긴 건조 공정 라인이 필요합니다. 용매가 단위 시간당 증발하는 양이 일정하기 때문에, 생산 속도를 높이기 위해서는 건조 라인을 길게 설계할 수밖에 없는데요. 실제로 약 100m 수준의 고온 건조 설비가 사용되며, 이 과정에서 많은 에너지와 설비 비용이 발생합니다.
반면 건식 전극 공정은 용매를 사용하지 않기 때문에 고온 건조 공정을 생략할 수 있습니다. 이에 따라 전체 공정 라인을 기존 대비 10분의 1 이하 수준으로 줄일 수 있으며, 에너지 사용량 절감과 공정 효율 향상, 비용 절감 효과를 동시에 기대할 수 있습니다.
2) 친환경성: 기존 리튬이온배터리 양극 공정에서는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)와 같은 유기 용매가 사용됩니다. 특히 NMP는 독성이 강한 물질로 분류돼 공정 과정에서 별도의 관리가 필요한데요. 이에 비해 건식 전극 공정은 용매를 사용하지 않기 때문에 환경 오염 물질을 줄일 수 있습니다. 또한 고온 건조 공정을 생략함으로써 에너지 사용량을 줄이고, 탄소 배출 저감 측면에서도 장점이 있습니다.
3) 성능 향상: 습식 전극 공정은 전극을 두껍게 형성하는 고 로딩(High Loading) 설계 시 건조 과정에서 균열이 발생하는 한계가 있습니다. 즉, 전극 내부에 더 많은 활물질을 담는 설계가 어렵다는 뜻인데요. 반면 건식 전극 공정은 상대적으로 고 로딩의 전극 구현에 적합한 특성을 갖고 있어 에너지 밀도 향상으로 이어질 수 있습니다.
4) 품질 향상: 건식 전극 공정은 전극 내부의 균일성 측면에서 유리한 특성이 있습니다.기존 습식 전극 공정에서는 건조 과정 중 바인더(Binder)가 전극 상층부로 이동하는 ‘마이그레이션(Migration)’ 현상이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 전극 내부의 바인더 분포가 불균일해지고, 품질 편차로 이어질 수 있는데요. 별도의 건조 단계가 없는 건식 전극 공정은 바인더를 보다 균일하게 분포시킬 수 있죠.
또한 건식 전극 공정은 전극 가장자리(Edge)를 깔끔하게 가공할 수 있다는 장점도 있습니다. 습식 전극은 제조 과정에서 전극 가장자리 부분이 밀리거나 늘어지는 ‘슬라이딩(Sliding)’ 현상이 발생할 수 있는데요. 이 과정에서 양극과 음극의 정렬이 어긋날 경우, 리튬이 불균일하게 자라는 덴드라이트가 발생할 수 있습니다. 반면 건식 전극은 전극 가장자리를 보다 정밀하게 가공할 수 있어 이러한 공정상의 문제를 줄일 수 있습니다.
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건식 전극 공정은 어떻게 구현될까?
건식 전극 공정은 차세대 기술인 만큼, 이를 구현하기 위한 다양한 공정 기술들이 개발되고 있습니다. 대표적으로는 정전분사 도포(Electrostatic Spray Deposition), 핫프레싱(Hot Pressing), 그리고 PTFE 섬유화를 활용한 롤투롤(Roll-to-Roll) 코팅 방식 등이 있는데요. 이 가운데 실제 양산 에 유리한 방식이 바로 ‘PTFE 기반 롤투롤 공정’입니다.
PTFE 기반 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정
PTFE(Polytetrafluoroethylene)는 테플론(Teflon)이라고도 불리는 비수계 바인더로, 탄소(Carbon)와 불소(Fluorine)가 강하게 결합된 구조를 갖고 있습니다. 우수한 열적·화학적 안정성과 높은 기계적 강도를 동시에 갖춘 것이 특징이며, 이를 통해 고온·고전압 등 극한 공정 환경에서도 안정적인 구조를 유지할 수 있습니다.
특히 PTFE는 용매 없이 전단력(Shear Force)2을 가하면 섬유화(Fibrillation)가 일어난다는 특성이 있습니다. PTFE 입자에 적절한 전단력이 가해지면 섬유 형태로 길게 늘어나며, 이 섬유들이 3차원 네트워크(3D Network)를 형성하게 되는데요. 이 과정에서 활물질과 도전재, 바인더 간 연결이 강화되며 안정적인 구조를 형성할 수 있습니다.
또한 PTFE는 선형 바인더(Linear Binder) 특성을 갖고 있어 활물질 표면을 덮는 영역이 상대적으로 좁습니다. 즉, 바인더 커버리지가 낮기 때문에 전기 저항 측면에서 유리하며, 실제 셀 수준에서도 저항이 개선됩니다.
롤투롤(Roll-to-Roll) 공정은 어떻게 전극을 형성할까?
롤투롤(Roll-to-Roll) 코팅 공정에서는 속도가 서로 다른 여러 개의 롤(Roll)을 이용해 전극을 점진적으로 얇고 균일하게 형성합니다. 이 과정에서 분체(Powder)는 더 빠르게 회전하는 롤 방향으로 이동하게 되는데, 이는 롤과 분체 사이에서 발생하는 전단력 차이 때문입니다.
공정이 반복될수록 롤 속도는 점차 빨라지고, 롤 간 간격(Gap)은 더욱 좁아지면서 전극 로딩(Loading) 역시 점진적으로 조절되는데요. 즉, 전극 내부에 포함되는 활물질의 양과 전극 두께가 공정 과정에서 점차 균일하게 조정된다는 의미입니다.
특히 롤투롤 공정에서는 각 롤의 속도와 간격 조합이 매우 중요합니다. 롤 속도와 갭(Gap) 조건에 따라 전극 품질과 불량 발생 가능성에도 영향을 줄 수 있기 때문인데요. 실제 양산 단계에서는 이러한 다양한 공정 변수들을 정교하게 제어하고 최적화하는 공정 노하우가 중요한 경쟁력입니다.
LG에너지솔루션이 그리는 ‘ALL-DRY’ 전극 공정
LG에너지솔루션은 전고체배터리 상용화를 위해 건식 전극 공정 기술 고도화에 집중하고 있습니다. 기존 건식 공정의 한계로 꼽히던 분체 균일도와 공정 속도 문제를 개선하기 위해 신규 믹싱 공정을 개발했으며, 실제 파일럿 라인에 적용해 높은 수준의 전극 균일도와 공정 효율을 확보하고 있습니다. 또한 양극뿐 아니라 음극과 전해질까지 모두 건식 기반으로 구현하는 ‘올 드라이(All-Dry)’ 공정 방향도 추진하고 있습니다.
특히 고체 전해질막은 건식 전극 공정에서 가장 높은 기술 난도를 갖는 영역 중 하나로 꼽히고 있는데요. 기존에는 PTFE 바인더를 활용해 섬유화 구조를 형성해왔지만, PTFE는 환원3 안정성이 낮다는 한계를 갖고 있습니다. 즉, 고체 전해질 환경에서 PTFE가 환원 반응으로 인해 화학 구조가 변하면서 전해질막에 전도성이 생길 수 있는데요. 이 경우 양극과 음극 사이에 전류가 흐르는 내부 단락 문제로 이어질 수 있습니다. 이에 LG에너지솔루션은 PTFE를 사용하지 않는 새로운 공정과 바인더 기술 개발을 함께 추진하고 있습니다.
이와 함께 출력 특성 향상, 저가압 구동, 계면 안정성 강화 등 전고체배터리 상용화를 위한 핵심 과제 해결에도 집중하고 있습니다. 기능성 코팅 양극재와 고이온전도 고체 전해질 기술 등을 바탕으로 전고체배터리의 성능과 안정성을 동시에 확보하기 위한 연구를 이어 나가고 있습니다.
핵심 Q&A
Q. 전고체배터리란 무엇인가요?
전고체배터리는 리튬이온배터리의 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 차세대 배터리입니다. 구조적 안정성이 높고, 고용량 음극 소재를 활용해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있습니다.
Q. 왜 ‘황화물계 고체 전해질’이 주목받고 있나요?
황화물계 고체 전해질은 높은 이온 전도도와 우수한 성형성을 갖춰 전극과의 밀착 특성이 뛰어나기 때문입니다. 고용량 음극 소재 적용에도 유리해 고에너지 밀도 전고체배터리 구현의 핵심 소재로 꼽힙니다.
Q. 건식 전극 공정(Dry Electrode Process)이란 무엇인가요?
건식 전극 공정은 용매 없이 활물질·도전재·바인더를 혼합해 집전체에 직접 코팅하는 전극 제조 방식입니다. 고온 건조 공정이 없어 에너지와 비용을 줄일 수 있고, 친환경적입니다.
Q. 전고체 배터리에서 건식 전극 공정이 중요한 이유는 무엇인가요?
황화물계 고체 전해질은 수분·용매에 민감해 습식 전극 공정 적용이 어렵습니다. 건식 전극 공정은 용매를 쓰지 않아 소재 열화와 드라이룸 운영 부담을 함께 줄일 수 있습니다.
전고체배터리는 안전성과 에너지 밀도를 모두 잡을 수 있는 차세대 기술입니다. 물론 상용화까지는 아직 풀어야 할 과제가 남아 있는데, 그 과제를 해결하는 데 건식 전극 공정이 중요한 역할을 합니다. 용매를 쓰지 않는다는 점이 까다로운 황화물계 고체 전해질을 다루는 데 잘 맞기 때문입니다.
LG에너지솔루션은 일찍이 건식 전극 공정 개발에 나서, 양극과 음극은 물론 전해질까지 모두 건식으로 구현하는 ‘올 드라이(All-Dry)’ 전극 공정으로 나아가고 있습니다. 앞으로도 끊임없는 배터리 기술 개발과 공정 혁신을 통해 전고체배터리 상용화의 길을 열어가겠습니다.
