4세대 스태킹‧장폭 셀 고속 노칭 접목한 SK온
'배터리 소재, 더 빨리 자르고 쌓아라'
LG에너지솔루션과 SK이노베이션(SK온)의 배터리 생산 공법 경쟁이 치열하다. 양사는 전기차, 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 배터리로 '파우치형'을 활용한다. 파우치형 배터리는 파우치 필름에 양극, 음극, 분리막 등 각종 소재를 적용하는 형태다. 다른 국내 배터리 업체인 삼성SDI는 금속 캔(CAN)을 이용한 '각형'을 중대형 배터리로 이용한다.
LG엔솔과 SK온은 같은 파우치형 배터리를 만들지만 생산 공법은 큰 차이가 난다. LG엔솔은 배터리 양‧음극과 분리막을 먼저 붙이는 합착(라미네이션)한 이후 배터리 소재를 적층하는 라미네이션&스태킹(L&S:Lamination&Stacking) 기술을 쓴다. SK온의 경우 양극·음극을 낱장으로 재단 후 분리막과 번갈아 쌓는 Z-스태킹을 사용한다.
라미네이션&스태킹과 Z-스태킹은 각자 장‧단점이 있다. LG엔솔 방식은 Z-스태킹 대비 생산성이 높고, 배터리 내부 공간 효율을 극대화해 용량을 더 키울 수 있다. 그러나 라미네이션 과정에서 분리막 정렬이 어긋나는 등 생산공정 관리 요소가 크다. SK온의 Z-스태킹은 생산성을 높이기 위해 고도의 자동화 기술이 필수적이다.
최근 LG엔솔은 라미네이션&스태킹 공법 개선이 한창이다. 그간 문제로 지적된 양‧음극판과 분리막 정렬, 분리막 탈락을 별도의 검사장비를 도입해 해결했다. 분리막을 양‧음극판 아래 위로 한 번에 붙이는 '싱글 라미네이션', 정해진 틀 위에 펼쳐 놓은 분리막을 양‧음극판에 포개어 얹는 '다이렉트 스태킹' 등의 기술 개발도 진행 중이다.
SK온은 양‧음극 소재의 탭(Tab)을 만들기 위한 노칭(Notching)과 Z-스태킹 속도 향상에 초점을 맞췄다. 노칭은 그간 빠른 속도와 높은 수율을 나타낸 단폭(300mm) 배터리 셀의 노하우를 장폭(600mm) 배터리 셀에도 접목시켰다. 헝가리 이반차 공장, 중국 옌청 2공장에 신규로 적용될 계획이다. 장폭 배터리 셀은 좌‧우 배터리 셀의 길이가 길어 정확하고 빠르게 탭을 따기가 쉽지 않다.
Z-스태킹은 4세대 장비를 도입한다. 이 방식은 양·음극을 낱장으로 재단 후 '매거진(Magazine)'이라 부르는 적재함에 쌓아 분리막과 번갈아 적층하는 것이 핵심이다. 기존 3세대 Z-스태킹의 분당 생산속도(PPM)가 30PPM이었다면, 4세대 Z-스태킹은 50PPM 전후다. 이는 2010년대 초반에 사용한 1세대 장비와 비교해 세 배 이상 빠르다. 그동안 배터리 소재 길이가 늘어날수록 스태킹 공정에서 각 소재가 펄럭이거나 제대로 접히지 않을 가능성이 높아 생산성 향상에 한계가 있었다.
SK온 스태킹 공정 관계자는 "과거 완성차 고객사에서(Z-스태킹이 LG에너지솔루션이 사용하는 라미네이션&스태킹 공법과 비교해 생산성이 떨어진다는 점을 지적한 바 있다"며 "2018년 3세대 Z-스태킹 공법 개발에 성공했고 현재 배터리 셀 폭을 더 늘려 에너지 밀도를 높일 수 있는 장폭, 4세대 Z-스태킹을 적용할 계획"이라고 말했다.
