SKBA(SK배터리아메리카)의 조지아 공장. 왼쪽이 조지아 2공장, 오른쪽이 조지아 1공장

유럽과 중국에 이어 세계 3대 친환경차 시장으로 불리는 미국. 2020년 기준 약 33만대의 전기차가 팔린 미국은 전기차 뿐 만 아니라 전기차 배터리 시장도 빠른 속도로 확대되고 있다. 머니투데이는 지난달 1일 한국 배터리 기업 중 가장 공격적으로 미국 시장에 투자하고 있는 SK온의 조지아 1공장 내부를 언론사 최초로 둘러봤다.

2019년 착공해 지난해 상반기 완공된 조지아 1공장은 NCM9 배터리를 처음으로 생산하는 공장이다. SK온이 2019년 세계 최초로 개발한 NCM9 배터리는 양극재의 원료인 니켈, 코발트, 망간 중 니켈의 비중이 약 90%에 달하는 배터리다. 니켈 비중이 높아지면 배터리 성능이 좋아지지만, 발열 등 불안정성이 높아 이를 다스리는 기술력이 없으면 만들기 쉽지 않다. SK온은 올해 상반기 포드 F-150 라이트닝에 공급하는 것을 목표로 NCM9 배터리를 시범 생산하고 있다.

철저한 보안 검사를 거친 뒤 방진모·방진복을 입고 에어 샤워를 거친 다음 조지아 1공장 안으로 들어갈 수 있었다. 음극재에 동박을 코팅하는 것부터 배터리 모듈을 연결해 배터리 팩을 만드는 마지막 단계까지 일사분란하게 작업이 이뤄지고 있었다.

첫 단계인 코팅 공정에선 기계가 음극재 롤에 동박을 코팅하는 모습을 볼 수 있었다. 코팅된 음극재와 양극재는 평평하게 펴주는 프레스 공정을 거치게 된다. 코팅하면서 두께가 균일하지 못하고 울퉁불퉁하게 될 가능성이 있기 때문에 무작위로 샘플을 추출해서 압력과 두께를 확인하는 과정도 거친다.

그 다음엔 음극과 양극롤을 각 전기차 회사에 들어가는 사이즈에 맞춰서 잘라주는 슬리터 공정을 거친다. 깔끔하게 잘리지 않으면 추후 배터리 문제로 이어질 수 있어 슬리터 장비의 칼을 수시로 닦아주는 것이 중요하다. 음극과 양극이 고객사가 원하는 규격에 맞게 잘려지면, 레이저와 카메라를 통해 품질을 수시로 확인하고 불량품을 걸러내는 작업을 진행한다.

통과된 제품은 네 시간 동안 습도가 낮은 방에 보관하면서 습기를 완전히 뺀다. 습기가 있으면 배터리에 치명적인 문제가 생길 수 있기 때문이다. 이 방은 특히 습도와 온도가 일정하게 유지되는 것이 중요해 이중문으로 돼 있다. 한쪽 방과 연결된 문이 닫히면 다른쪽 방과 연결되는 문이 열리는 식이다. 방에서 일하는 사람도 두 명만 둬서 습도와 온도에 미치는 영향을 최소화했다.

습도까지 빼면 분리막을 쌓는 공정에 들어간다. SK온은 화재가 나지 않는 배터리를 만들 수 있는 비결이 바로 이 공정에 있다고 자부한다. 분리막은 배터리의 양극과 음극이 만나지 않도록 분리하되, 이온이 양극과 음극 사이를 이동할 수 있게 하는 막이다. 배터리셀 내부엔 양극과 음극이 수십 장 쌓여있는데 분리막은 양극과 음극이 접촉하면 발생할 수 있는 화재를 막아주는 역할을 한다.

SK온은 그룹 계열사 SK아이테크놀로지(SKIET)가 제작한 분리막을 사용한다. SKIET가 납품한 분리막에선 화재가 단 한 건도 발생하지 않았을 정도로 업계에서 가장 비싸고 품질이 뛰어난 제품이다. 분리막을 끼워넣는 과정 역시 업계에서 독보적이다. 보통 배터리를 만들 땐 양극-분리막-음극-분리막 형태로 쌓고 파우치 필름으로 밀봉하거나 자르지 않고 길게 늘어뜨린 양극, 분리막, 음극을 말아서 포장한다. 이 과정에서 비스듬하게 포장되면 모서리에서 양극과 음극이 만나게 되면서 화재 가능성이 높아진다.

SK온은 이와 달리 지그재그 폴딩 방식으로 배터리를 만든다. 길게 늘어뜨린 분리막 위에 규격에 맞게 잘려진 양극을 놓은 뒤 다시 분리막으로 덮는다. 그 위에 음극을 놓아 감싸고 다시 양극을 놓는 방식이다. 이 방식을 이용하면 양극과 음극이 접촉할 가능성을 원천 차단해 화재가 발생하지 않는다. SK온의 특허가 곧 만료되는데 경쟁사에서도 이 공법을 도입하기로 한 것으로 알려졌다.

이 공정을 거치면 다시 엑스레이로 양 측의 단면 길이가 일정한지, 평평하고 균일하게 쌓였는지 사진을 찍고 레이저로 샘플을 체크한다. 통과된 제품은 가장자리의 불필요한 부분들을 잘라내고 바코드를 찍은 뒤 공간이 넉넉한 파우치에 넣는다. 파우치에 전해액을 넣고 동봉한다. 화학반응으로 발생한 기체가 파우치 윗부분에 모이면 이 부분을 다시 잘라낸 뒤 고온저습, 전기 충방전 등 여러 환경을 거친다.

이렇게 만들어진 셀 여러 개를 열과 진동 등 외부 충격으로부터 보호할 수 있게 하나로 묶어 프레임에 넣는데 이를 모듈이라고 한다. 이 모듈 여러 개를 모아 팩을 만든다. 팩에는 배터리 온도·전압 등을 관리해주는 배터리 관리시스템(BMS)과 냉각장치 등도 탑재된다.

SK온 조지아 1공장은 올해 상업 가동에 들어간다. 올해 2공장까지 완공되면 총 21.5GWh(기가와트시) 규모의 배터리를 생산하게 된다. 이는 60kWh(킬로와트시) 배터리가 탑재된 전기차 약 36만 대에 들어갈 수 있는 양이다.

SK온 공장이 본격적으로 상업 가동을 시작하면 조지아주도 미국 전기차 배터리 생산의 핵심 기지로 거듭나게 된다. 팻 윌슨 조지아주 경제개발국 장관은 "조지아주가 전기차 산업을 주도적으로 움직이기 위해 가장 먼저 한 것은 전기차·배터리 기업과 공급망을 주 안에 유치한 것"이라며 "결국 SK이노베이션의 투자가 조지아주의 전기차 산업 발판을 마련해줬다"고 평가했다.

무엇보다 자부심을 느끼는 부분은 SK온의 미국 공장으로 인해 한국의 부품사들과 협력업체들도 미국으로 함께 진출하게 됐다는 점이다. SK온 조지아 1공장 관계자는 "SK온이 사용하는 대부분의 장비들은 한국 회사들이 만든 것"이라며 "조지아 공장으로 인해 한국의 배터리 공급망이 미국으로 확장되고 있어 기쁘게 생각한다"고 말했다.

[최민경 기자]