Recent Research Trends in Solvent-free Fabrication Methods for Lithium-ion and Next-generation Batteries

Abstract

Dry electrode technology is gaining increasing attention as a solvent-free alternative to conventional slurry-based processes in lithium-ion and next-generation batteries. This review summarizes recent research trends in dry fabrication methods, particularly focusing on Polytetrafluoroethylene-based fibrillation processes and the role of binder and conductive additive design in achieving mechanically robust and electrochemically stable electrodes. Various approaches to improve electrode adhesion, structural integrity, and scalability are discussed, along with strategies for high-loading and thick-film electrode configurations. The review also introduces recent efforts to apply dry processing to all-solid-state batteries and lithium–sulfur systems, providing an overview of the current directions and challenges in the field.

Keywords: Dry electrode process, Lithium ion batteries, Manufacturing, Solvent-free

1. 서론

전 세계적인 탄소중립 정책의 확산과 전기차(Electric vehicle)⋅대규모 에너지저장장치(Energy storage system) 시장의 급성장은 고에너지밀도 리튬이온전지(Lithium-ion battery, LIB)의 수요를 전례 없이 끌어올리고 있다. 이에 따라 배터리 제조 공정의 효율성과 지속가능성 확보는 산업 경쟁력의 핵심 과제가 되고 있으며, 특히 전극 제조 기술은 셀의 비용, 성능, 환경 영향을 좌우하는 결정적인 공정 단계로 주목받고 있다.[1]

현재 상업화된 LIB 제조에서 가장 널리 활용되는 전극 제조 방식은 습식 코팅(Slurry-casting) 공정이다. 이 공정은 활물질, 도전재, 바인더를 유기용매(NMP 등)와 혼합해 슬러리를 제조한 뒤 금속 집전체에 코팅하고 건조⋅압연하는 순서를 거친다. 그러나 이 방식은 공정의 복잡성과 높은 에너지 소비, 유해 용매 사용으로 인한 환경 문제, 설비 투자 비용 부담, 그리고 특히 두꺼운(High- loading) 전극 제조 시 바인더 분포의 불균일성이라는 본질적 한계가 존재한다. 건조 중의 용매 증발로 인해 발생하는 바인더 농도 구배는 전극 내 기공 구조를 불균일하게 만들고, 이는 이온전도성 저하와 기계적 강도 약화를 초래해 급속 충전 성능과 수명 특성을 제한한다.[2]

이러한 문제의식 속에서 건식 전극 제조 공정은 유기용매를 제거함으로써 공정 단계를 단순화하고, 에너지 소비와 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 대안으로 급부상하고 있다. 건식 공정은 NMP 등 독성 용매의 구매⋅회수⋅건조 인프라를 제거할 수 있어 Capital expenditure와 Operating expenditure를 동시에 절감한다. 또한 용매 제거로 인한 공정 단순화는 생산 라인의 면적과 에너지 소비를 줄이고 설계의 유연성을 높여, 궁극적으로는 전지 제조의 환경발자국을 크게 감소시키는 데 기여한다.[3]

더 나아가, 건식 공정의 가장 큰 장점 중 하나는 두꺼운(High-loading) 전극의 제조에서 바인더 분포의 불균일성을 원천적으로 억제할 수 있다는 점이다. 습식 공정에서는 건조 단계에서의 급속 용매 증발이 바인더 농도 구배를 초래해 상하층간 조성 불균질이 발생하지만, 건식 공정에서는 용매가 없으므로 이러한 문제가 발생하지 않는다. 따라서 전극 두께가 증가해도 균일한 입자 분포와 기공 구조를 유지할 수 있으며, 이로 인해 리튬이온의 확산 저항과 전극 내 전류 분포가 균질화되어 고속 충전과 장수명 특성을 동시에 달성할 수 있다.[4]

특히 최근 학계의 연구 동향을 살펴보면, 건식 전극 제조 기술은 단순한 실험실 수준의 개념 증명을 넘어서, 산업적 확장성과 생산성 향상을 목표로 한 연구로 빠르게 발전하고 있다. 현 세대 리튬이온배터리의 양극과 음극 제조기술에서 건식 공정을 적용해 공정 기술 개발, 소재 최적화 및 개질, 기존 건식 공정의 한계를 극복하기 위한 신규 기술 도입 등이 활발히 진행되고 있으며, 전고체전지 시스템의 복합 양극 및 전해질 분리막 제조 기술로의 확장도 다양하게 시도되고 있다. 본 리뷰에서는 최근 2∼3년간의 주요 건식 공정 연구 사례를 종합하여 정리함으로써 최신 연구 동향을 파악하고, 향후 연구개발 전략 수립에 참고가 될 수 있는 자료를 제공하고자 한다.

2. 리튬이온전지용 건식 공정 연구 동향

2.1 건식 양극 연구 동향

양극의 건식 공정 연구에서는 주로 바인더의 종류와 함량, 도전재의 분산과 선택, 공정 온도와 압력 조건, 그리고 입자 설계 전략 등이 중요한 연구 주제로 다뤄지고 있다. 다양한 연구들은 이러한 요소들이 전극의 기계적 강도, 전기화학적 성능, 제조 공정 적합성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하며, 고용량⋅고밀도 양극 구현을 목표로 다양한 접근법을 제시하고 있다.

K.-M. Jeong 그룹에서는 PTFE (Polytetra-fluoroethylene) 섬유화를 통한 건식 양극 제조공정에 관해, 소재의 종류와 조성, 공정 변수 등이 전극과 셀 단계에 미치는 영향과 결과물을 체계적으로 분석해 보고했다.[5] Carbon black, CNT (Carbon nanotube) 도전재 함량에 따른 특성 분석, PTFE 섬유화 시간 및 함량에 따른 특성 해석을 수행하고, PTFE 종류에 의한 물성과 전기화학적 특성 분석도 진행되었다. Nickel-cobalt- manganese oxides(NCM)811 활물질 함량 96%를 갖는 조성으로 10 mAh/cm²의 면용량을 달성했으며, 이런 후막 양극을 기반으로 793 Wh/ L의 높은 에너지밀도를 갖는 배터리 셀을 구현할 수 있을 것으로 계산되었다.

U. Paik 연구진에서는 PTFE 섬유화의 공정 온도를 제어하는 전략과 multi-dimensional 도전재(Carbon black, CNT, graphene)를 다양하게 탐색하는 전략을 활용했다.[6] 또한 calendering 공정에서의 압력 제어 등으로 전극 내부 마이크로구조를 균일하게 형성함으로써 후막 전극에서의 Li⁺ diffusion length를 감소시키는 데 성공했다. 연구진은 Nickel-cobalt-aluminum oxides (NCA) 양극재를 사용해서 10 mAh/cm² 이상의 높은 면용량을 갖는 건식 양극을 구현하고, 710 Wh/L 수준의 에너지밀도 달성을 보고했다.

K.-M. Jeong 그룹에서는 고성능의 건식 후막 양극 구현을 위해 도전재의 종류 선별과 함량 조절에 대한 집중적인 연구를 진행해 보고한 바 있다(Fig. 1).[7] 일반적으로 자주 활용되는 도전재 종류들인 Super-P, Ketjen Black, CNT, Denka Black, Graphene 등 다양한 도전재 종류를 도입해 건식 양극을 제조했고, 각 전극의 기공도, 전기전도도, 이온전도도 분석을 비롯해 tortuosity, 구조 분석 및 전기화학적 분석 등 포괄적인 해석 결과를 제공했다. 연구진은 건식 공정 조건에서는 highly porous, spherical 구조의 도전재가 가장 적합하다고 판단했으며, 10∼20 mAh/cm² 범위의 고용량 건식 양극을 구현하고 이를 기반으로 800 Wh/L 이상의 높은 에너지밀도 달성 가능성을 제시했다.

Fig. 1.

Recent research trends in dry-electrode processes for lithium-ion batteries. Reproduced from Oh et al. Energy Environ Sci 2024;18, with permission of The Royal Society of Chemistry.[7] Reproduced from Thi Linh et al. Chemical Engineering Journal 2025;509, with permission of Elsevier.[8] Reproduced from Shen et al. Journal of Energy Chemistry 2024;90, with permission of Elsevier.[9] Reproduced from Hwang et al. Chemical Engineering Journal 2025;506, with permission of Elsevier.[10] Reproduced from Sung et al. Chemical Engineering Journal 2025;511, with permission of Elsevier.[13] Reproduced from Tao et al. Chemical Engineering Journal 2024;500, with permission of Elsevier.[17] Reproduced from Hong et al. J Power Sources 2025;638, with permission of Elsevier.[18] Reproduced from Huber et al. J Energy Storage 2025;124, with permission of Elsevier.[20] Reproduced from Suh et al. Chemical Engineering Journal 2023;476, with permission of Elsevier.[28] Reproduced from Park et al. J Power Sources 2024;614, with permission of Elsevier.[32]

용매가 없는 건식 환경에서 전극을 제조할 때 가장 어려운 요소 중 하나가 도전재의 균일한 분산 구현이다. D. Kim 연구진에서는 PTFE 섬유화 방식으로 양극을 제조할 때 Multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)를 균일하게 분산시키기 위해 소량의 surfactant와 용매를 도입한 연구결과를 보고했다.[8] Polyvinyl- pyrrolidone (PVP) 소재가 가장 효과적으로 CNT를 에탄올에 분산시킬 수 있다고 판단하여 MWCNT-PVP-EtOH 분산액을 PTFE 섬유화 건식 공정에 적용했다. 의도된 대로, 용매와 계면활성제의 도움을 받아 MWCNT 의 균일한 분산에 성공했고 전기전도와 이온확산 등의 향상을 통해 10 mAh/cm² 후막 양극에서도 우수한 성능을 구현했다. 다만, 엄밀한 의미에서는 건식 공정이 아니며 EtOH 중량을 전체 고형분 대비 10  wt% 수준으로 제한해 공정을 설계했는데, 실험실 규모의 mortar/ pestle 방식이 아닌 twin-screw extruder나 kneader 등으로의 scale-up 적용 가능성 검토와 EtOH의 휘발 제어가 필요할 것으로 전망된다.

현재 건식 공정에서 가장 보편적으로 사용되는 바인더는 PTFE이다. 보통 PTFE의 fibrillation 특성을 유지하기 위해 pristine 상태로 사용되는데, X. Huang 그룹에서는 PTFE 표면에 CNT를 부착해 건식 바인더로 활용한 연구 결과를 발표했다.[9] 수계 시스템에서 CNT와 PTFE를 분산한 뒤 동결건조해 1:1∼1:4 비율의 CNT@PTFE 복합체를 합성하고, 이를 LCO 양극재와 도전재와 반죽해 건식 LCO 양극을 제조했다. 이렇게 제조된 건식 양극은 내부 소재의 균일한 분포와 우수한 전도 네트워크 형성을 통해 기존 slurry-casted 습식 전극 대비 뛰어난 성능을 발휘했다. 다만, 해당 연구의 핵심 아이디어가 CNT와 PTFE의 복합화인 만큼, 복합화되지 않은 CNT와 PTFE 기반 건식 전극을 대조군으로 한 비교가 함께 이루어졌다면 더욱 명확한 분석이 가능했을 것으로 보인다.

J. Yoon 연구진은 기존 건식 전극에서의 불균일한 도전재 분산 문제를 해결하기 위해 분무건조 기법을 도입한 연구 결과를 보고했다.[10] 분무건조 공정을 통해 약 0.1  wt%의 극소량 SWCNT를 NCM 표면에 균일하게 코팅한 CNT@NCM 복합체를 제조한 후, 이를 PTFE와 배합해 추가적인 도전재 없이 건식 양극을 구현했다. 극소량으로도 우수한 전도 네트워크를 형성할 수 있는 SWCNT 소재를 균일하게 코팅함으로써 약 98%에 달하는 높은 양극 활물질 함량을 구현했으며, 전극과 전지의 에너지 밀도 향상을 도모할 수 있음을 시사했다.

PTFE 기반 건식 전극에서는 바인더 함량이 섬유화 거동과 전극의 기계적⋅전기화학적 특성에 큰 영향을 미친다. G. Matthews 연구팀은 NMC622 전극에서 PTFE 함량을 0.5–4  wt%로 조절하며 섬유화 미세구조와 입자 손상 정도를 체계적으로 비교했다.[11] SEM/EDX 분석 결과 0.5  wt% 전극은 가늘고 균일한 fiber network가 형성돼 높은 비율의 open porosity와 이온전도성을 제공한 반면, 4  wt% 전극은 PTFE 고분자가 뭉쳐 기공을 막고 CNF 응집이 커지며 내부 이온저항이 증가했다. 기계적 압축시험에서는 고바인더 전극이 높은 강성과 항복강도를 보여 캘린더링 중 입자 간 마찰과 응력집중으로 다수의 2차 입자 크랙이 발생했으며, XRD 분석에서도 결정립 크기가 90  nm에서 50  nm로 감소해 1차 입자 손상도 시사되었다. 그러나 저함량 PTFE와 고함량 PTFE 전극 모두 동일한 조건에서 수작업으로 일괄적으로 전극을 제조해 평가했다는 점에서, 각 소재의 최적 섬유화 공정 조건이 서로 다를 수 있음이 간과된 결과로도 볼 수 있다.

PTFE는 HOMO 레벨이 매우 낮아 양극 구동 환경에서 산화 안정성이 높은 물질로 알려져 있다. 그러나 J. Li 그룹은 건식 양극에서의 PTFE 전기화학적 안정성을 분석한 결과, PTFE도 일정 수준의 분해가 일어날 수 있음을 보고했다.[12] PTFE 섬유화 방식으로 NCM 건식 양극을 제조한 뒤, LiPF₆ 전해질과 LiClO₄ 전해질을 각각 사용해 셀을 제조하고 양극재 표면에 형성되는 Cathode– electrolyte interphase (CEI) layer의 구성성분을 분석했다. LiPF₆ 전해질계에서의 LiF CEI layer 형성은 자명하지만, 불소 성분이 전혀 없는 LiClO₄ 전해질 셀에서도 Li F가 검출되었음을 지적했다. PTFE가 유일한 불소 공급원인 점을 고려해, 모종의 부반응을 통해 PTFE가 분해되어 LiF CEI layer가 형성된 것이라고 주장했다. 다만 PTFE 분해의 메커니즘과 이로 인한 배터리 성능 영향에 대한 추가 분석은 제시되지 않았다.

PTFE 섬유화 방식으로 건식 전극을 제작하면 일차적으로 freestanding 형태의 자립막 필름이 성형되며, 이를 Al, Cu 등의 집전체에 부착하는 lamination 과정이 필수적으로 수반된다. Surface energy가 낮은 PTFE의 특성상 집전체와의 접착력이 약한 경우가 일반적인데, J. Yoon 그룹은 이 문제를 해결하기 위해 PTFE와 Polyacrylic acid (PAA) binder의 co-binder system 을 제안했다.[13] 기존 건식 공정에서 사용되던 PTFE 사용량의 일부를 PAA로 치환해 전체 바인더 함량은 동일하게 유지하면서도, PAA의 풍부한 -COOH 작용기가 ambient 환경에서 Al foil 표면의 잔존 -OH기와 강한 hydrogen bonding을 형성해 자립막 필름과 bare Al foil 간의 접착력을 개선했다. 또한, 기존 PTFE에서 부족했던 polarity를 PAA가 제공함으로써 전해액 함침성 등이 개선되었고, 집전체와의 접착력뿐 아니라 전극 합재층 내 입자 간의 cohesion 개선도 달성해 우수한 출력 특성과 안정적 cycle 성능을 구현했다.

건식 공정에서 사용되는 PTFE는 독보적인 섬유화 특성 덕분에 전극 구조를 효과적으로 얽어매는 역할을 하지만, 그 외의 기능성은 한계가 있다. Y.-C. Cao 그룹은 Li⁺ transport를 개선할 수 있는 고분자를 PTFE와 복합화해 high-loading 건식 전극에서의 이온 전달 특성을 향상시키는 연구를 진행했다.[14] 연구진은 극성의 C≡ N기를 지닌 Polyacrylonitrile (PAN)을 사용해 리튬이온과 dipole 이온쌍을 형성하고 PAN 사슬을 따라 Li⁺의 이동 경로를 제공하도록 설계했다. PTFE/PAN 복합 바인더로 제작된 건식 전극은 기계적 물성, 유연성, 균일성이 향상되었으며 높은 이온확산계수와 안정적인 CEI 형성 등을 통해 셀 성능에서도 큰 개선을 보였다.

현대자동차 연구소는 PTFE 기반의 기존 건식 공정을 활용하되, PTFE의 고질적인 단점인 입자 간 접착력 부족 문제를 해결하기 위한 방안을 제시했다.[15] PTFE는 표면 에너지가 낮아 본질적으로 비접착성이 강해 활물질, 도전재 등 전극 구성 소재들을 강하게 묶어주지 못하는 단점이 있다. 연구진은 PAA가 부착된 sodium carbo-xymethyl cellulose 바인더를 도입해 bollard 역할을 수행하도록 설계, PTFE 섬유의 anchoring site를 제공해 결착력을 개선했다. 연구진은 Bollard system의 도입으로 결착력이 크게 향상되면서 PTFE 사용량을 70% 절감하면서도 약 15  mAh/cm²의 높은 면용량을 갖는 후막 NCM611 건식 양극을 구현했다고 보고했다.

J. Li 연구진에서는 PTFE 섬유화 방식으로 LIB 건식 양극을 제조한 뒤 전극의 porosity에 따른 기계적 특성, 전기적인 특성과 전기화학적 성능에 대한 연구 결과를 보고했다.[16] 22∼39%로 설정된 porosity를 갖는 각 전극들의 특성을 분석한 뒤 최적의 기공도 지점이 존재함을 제안했다. 다만 해당 연구에서 구성된 양극은 활물질, 도전재, 바인더가 각각 92:3:5 중량비를 갖는 조성이었는데, 전극의 조성이 달라질 경우 도전재들의 network 형성, 전극 내부의 ionic tortuosity 등 전극 미세구조가 크게 달라질 수 있으므로, 보편적인 연구 결과로서 참고하기에는 무리가 있다고 볼 수 있다.

LIB용 건식 양극을 제조할 때 양극재 종류가 끼치는 영향을 연구한 사례도 보고되었다.[17] J. Li 그룹은 기존 건식 양극 연구들이 주로 polycrystalline NCM 위주였다는 점을 지적하고, single-crystal 양극재를 적용한 건식 양극을 심층 분석해 장단점을 비교했다. 단결정 양극재는 입자 내부에 grain boundary가 없기 때문에 입자 수준에서 Li+ diffusion kinetics가 유리하다는 점 외에도, 다결정에 비해 기계적 강도가 높아 건식 공정 중 발생할 수 있는 미세 균열이나 입자 파손 문제에 강점을 보인다고 지적했다. 전극구조 내 균일한 charge carrier 분포와 기계적 안정성 덕분에 단결정 양극에서는 전지 출력 특성과 장기 수명 특성이 다소 향상됨을 입증해 보고했다.

배터리 전극 제조에서 자주 활용되는 전략 중 하나는 입자 크기가 다른 활물질을 적절히 혼합해 전극을 구성하는 bimodal system이다. Y. Kim 그룹은 PTFE 섬유화 건식 공정으로 bimodal 양극을 제조하고 전극 밀도 향상, 입자 파손 저감, 도전재 분포 개선 등의 긍정적 효과를 보고했다.[18] 약 10 µm와 5 µm의 D₅₀을 갖는 대립자와 소립자를 8:2 비율로 배합했을 때 전극의 압축 density가 가장 높아짐을 규명했으며, 적은 횟수의 캘린더링 공정으로도 목표 밀도를 달성할 수 있음을 확인했다. Mec-hanical stress가 분산되어 공정 중 활물질 입자 깨짐 현상이 완화되었으며, 전기전도도 향상과 이온저항 저감 등의 효과를 통해 단결정, 다결정 단독 전극 대비 출력과 수명 특성이 개선됨을 확인했다.

PTFE 섬유화 방식의 건식 공정으로 전극을 제작할 때 자주 발생하는 문제 중 하나는 강한 calendering 단계에서의 입자 파손이다. P. Oh 연구진은 이를 보완하기 위해 무독성이면서 비등점이 낮은 용매인 EtOH를 3  wt% 미만으로 극소량 첨가하는 방식을 제안했다.[19] Calendering 과정에서 용매가 모두 휘발되어 별도의 건조 공정 없이 전극 제조가 가능하도록 설계했으며, EtOH가 윤활 역할을 해 전단력을 증가시키고 PTFE의 섬유화를 촉진하면서도 양극재 입자 파손을 최소화했다. 일반적인 건식 전극 대비 carbon binder domain이 전극 깊이 방향으로 고르게 형성되어 Li⁺ 확산에 유리하게 작용해 출력과 수명 등 전지 성능이 개선됨을 보고했다.

PTFE 섬유화 방식의 건식 공정 연구들이 최근 활발히 진행되고 있지만, 대부분의 경우 실험실 규모에서 소량으로 수작업을 통해 제조된 전극의 결과들이다. BMW Group Battery Centre의 K. Huber 연구진은 scale-up 가능성을 검증하기 위해 twin-screw extruder를 이용한 연속식 건식 전극 제조 공정을 연구해 결과를 발표했다.[20] PTFE의 fibrillation 메커니즘을 규명하기 위한 분석을 선행한 뒤, 섬유화가 진행되는 twin-screw 내부의 구조 설계, 구동 온도, stress 분포 등에 따른 제조된 건식 분체의 특성을 고찰했다. 연구진은 건식 전극이 fiber 형태의 바인더에 의한 물리적 결착으로 전극 내부 구조를 형성해 Li⁺ 확산의 tortuosity를 감소시키는 장점이 있지만, 반면에 fiber들이 carbon black 도전재를 응집시켜 전기전도도가 저하되는 단점도 있다고 주장했다.

J. Choi 그룹은 Li FePO₄ (LFP) 양극재 기반 리튬이온전지의 난제를 해결하기 위해 PTFE 섬유화 방식의 건식 공정을 도입했다.[21] LFP는 지속가능성, 원가 경쟁력, 우수한 안정성 등의 장점이 있지만 낮은 전도도와 비용량, 에너지 밀도라는 치명적 단점이 있다. 연구진은 건식 공정을 통해 전극을 후막화하고 이온전도도를 높임으로써 LFP의 단점을 크게 개선했다. SAICAS 분석으로 건식 전극 내부의 접착력 균일성을 확인했으며, GITT, EIS, XPS 분석을 통해 charge transfer 저항 개선, 균일한 CEI 형성, 우수한 리튬 확산 특성 등을 보고했다. 해당 연구에서는 약 8  mAh/cm²의 고용량 LFP 양극을 구현했으며, 213  Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있을 것으로 제시했다.

J. Hwang 연구진은 LFP 양극의 고에너지밀도를 위해 PTFE 건식 공정을 적용하면서, LFP 입자 표면에 CNT를 코팅해 양극 활물질 함량을 극대화한 연구를 보고했다.[22] 0.3  wt%의 소량 CNT를 LFP microsphere 표면에 코팅해 LFP의 고질적인 낮은 전기전도도를 보완하고, 입자들의 기계적 강도를 개선했다. 양극 내 LFP@CNT 복합체 중량비를 99%로 설계해 전극 밀도를 2.4  g/ cc까지 높게 제조했으며, 건식 전극 내부 구조의 균일한 기공 분포와 개선된 Li⁺ tortuosity를 검증했다. 5  mAh/cm² 면용량에서도 초기 용량 150  mAh/g, 100사이클 후 99%의 용량 유지율을 보였으며, 파우치셀에서는 700사이클 후 86.6% 유지율을 달성해 건식 공정 기반 LFP 전극의 상업적 적용 가능성을 시사했다.

S. Cheng 연구진은 건식 공정 선행 연구에서 상대적으로 주목도가 낮았던 Al 양극 집전체의 역할을 연구했다.[23] 일반 Al foil, etching된 Al foil, carbon coated Al foil 등 세 종류의 집전체를 준비하고, 150 µm 두께의 NCM 건식 양극을 각각의 집전체에 lamination하여 접착력, 전자전도도, 전기화학적 성능 등을 비교 분석했다. 상용 제품인 carbon coating layer의 정확한 성분은 명시되지 않았지만, carbon coated Al foil이 가장 우수한 접착력과 전도도, 전지 성능을 보였다. 다만, 동일한 합재층을 사용했음에도 carbon coated Al foil에서 Li⁺ diffusion이 개선되는 현상을 보고했는데, 전극 합재층의 구조와 무관한 전극-집전체 계면에서의 개선이 어떤 원리로 Li⁺ 이온 확산에 기여하는지는 규명되지 않았다.

2.2 건식 음극 연구 동향

공정 기반의 양극뿐 아니라 음극에 대한 연구도 활성화되고 있다. 특히, PTFE 기반 음극의 한계와 이를 개선하기 위한 전략이 중요한 연구 주제로 떠오르고 있다. 주로 음극 구동 전위에서의 PTFE 분해 반응 문제를 해결하기 위해 다양한 첨가제 설계와 바인더 조합이 시도되고 있다. 이러한 접근은 건식 음극의 안정성과 성능을 높이는 데 중요한 역할을 하고 있다.

J. Choi 연구진은 PVP을 적용한 이중 바인더 시스템을 제안했다.[24] 연구에 따르면, PTFE와 혼용된 PVP가 흑연과 PTFE 간의 직접 접촉을 방지해 PTFE의 분해 반응을 완화하고 안정적인 SEI 형성을 촉진해 계면 안정성을 개선했다. 섬유화 건식 공정을 통해 10 mAh/cm² 이상의 높은 면용량을 갖는 건식 음극을 구현했으며, NCM811 양극과의 풀셀 테스트를 통해 안정적인 구동이 가능함을 확인했다.

또한, 연구진은 다른 방향의 접근법 중 하나로 Fluoroethylene carbonate (FEC) 전해질 첨가제를 도입하는 기술을 제안했다.[25] 연구진은 첫 번째 사이클에서 PTFE가 환원되기 전에 전해질에 첨가된 FEC가 먼저 분해되어 FEC 유래 SEI가 형성된다고 밝혔다. Cyclic voltammetry와 galvanostatic C-V 프로파일에서 관찰된 피크, XRD, XPS 등의 분석 결과를 통해 FEC SEI 보호층의 효과를 입증했다. FEC 보호층의 도입으로 초기 쿨롱 효율이 75.7%에서 87.2%로 크게 개선됨을 보였다.

W. Li 그룹에서도 비슷한 접근법을 제안했는데, PTFE 건식 음극 시스템에 환원성이 강한 첨가제를 도입하는 방안을 보고했다.[26] 연구진이 제안한 N-phenyl-bis (tri fluoromethanesulfonimide) (PTFSI)는 −1.76 eV 의 낮은 LUMO 에너지를 가져 PTFE 대신 환원 분해되며, graphite 표면과 PTFE 표면에 안정적인 SEI 층을 형성한다고 주장했다. PTFSI를 적용해 5.2 mAh/cm² 면용량의 흑연 건식 음극을 제조하고 NM75 양극과 페어링한 pouch cell을 제작해 초기 Coulombic efficiency 78%와 260 Wh/kg의 energy density를 보고했다.

한편 동일한 연구진에서 또 다른 방법론도 제시했다. 앞선 연구들은 cell의 최초 formation 과정에서 SEI를 형성시켜 음극재와 PTFE의 접촉을 억제한 원리였던 반면, 처음부터 흑연의 표면을 Polyethylene oxide (PEO)로 코팅한 채 건식 음극을 제조해 PTFE의 분해 반응을 억제하는 아이디어였다. 연구진은 PEO가 Li⁺ conducting 특성과 전기적인 절연 특성을 동시에 가지며 환원 안정성이 우수하기 떄문에 PEO를 흑연에 코팅해 건식 음극에 적용했을 때 초기 쿨롱 효율이 크게 향상될 수 있음을 주장했다.[27]

배터리 전극 공정 기술로서 건식 공정이 주목받는 이유는 주로 친환경성과 저비용 등의 이점이 강조되기 때문이지만, Y. Kim 그룹은 건식 전극의 우수한 급속 충전 성능에도 주목했다.[28] PTFE 2  wt%를 사용해 건식 혼합과 압연 공정을 통해 약 6 mAh/cm²의 high-loading 건식 graphite 음극을 구현했다. 3D-XRM, FE-SEM, EDS 분석을 통해 PTFE가 섬유화되어 균일한 그물망 구조를 형성함으로써 전극 내부 기공 분포와 Ionic tortuosity를 습식 전극 대비 크게 개선(16.4→7.3)했으며, Li+ 확산 계수와 전자전도도가 향상됨을 밝혔다. 또한 CV, GITT, 대칭셀 EIS 분석을 통해 이온 저항이 절반 이하로 감소했음을 입증했다. 급속 충전 조건에서도 기존 습식 전극에 비해 Li plating 현상이 크게 완화됨을 확인하며 건식 음극의 우수성을 시사했다.

2.3 기타 건식 공정 연구 사례

현 시점에서 가장 양산 가능성이 높은 건식 공정 기법으로는 PTFE 섬유화 방식이 꼽히지만, 이외에도 다양한 건식 공정 사례들이 지속적으로 연구되고 있다. 특히 자주 등장하는 방식은 기존 습식 공정에서 표준적으로 사용되는 PVDF 바인더를 활용하되, 용매를 사용하지 않고 P VDF의 녹는점(∼177℃) 이상의 열을 가해 용융시켜 전극을 접착하는 방식이다.

J. Park 그룹은 초고용량의 LIB 양극을 제작하기 위해 PVDF 열융착 방식의 건식 공정을 보고한 바 있다.[29] 177℃의 PVDF 녹는점을 활용해 분말 상태로 혼합된 전극 재료들을 etched Al foil 위에 올리고 180℃의 고온에서 hot-press를 진행해 PVDF를 녹여 재료들을 결합하도록 했다. Super-P 도전재를 사용했을 때보다 MWCNT 도전재를 사용했을 때 건식 전극의 기계적 물성이 훨씬 향상됨을 확인했으며, NCM712 양극재를 이용해 17.6 mAh/cm²에 달하는 초고용량 건식 양극을 구현해 성능을 검증했다. 또한 이렇게 높은 용량의 양극을 적용할 경우 360 Wh/kg과 701 Wh/l의 에너지 밀도를 달성할 수 있음을 주장했다.

Y. Wang 연구진은 roll-to-roll 공정이 가능한 장비를 이용해 건식 양극과 음극을 제조하고, 다양한 분석 결과와 향상된 성능을 통해 건식 공정의 양산 가능성을 제시했다.[30] 해당 연구에서 적용된 건식 공정은 electrostatic spraying 방식으로, spray tip에서 대전되어 분사된 전극 재료 분말이 접지된 current collector 에 정전기적 인력으로 도포/부착되는 원리이다. PVDF 바인더가 사용되었으며, 부착력 개선 및 밀도 향상을 위해 추가적인 캘린더링 단계가 포함되었다. 이 방식으로 양극과 음극 모두 건식 환경에서 제작할 수 있었으며, 이때의 ionic tortuosity가 습식 전극 대비 크게 감소함을 보고했다. 또한 여러 post-mortem 분석을 통해 건식 전극의 안정적인 CEI, SEI 형성 및 열화 거동 완화 효과를 제시했다.

A. Gyulai 그룹은 PVDF 열융착 방식의 건식 공정에서의 공정 변수 연구 결과를 보고했다.[31] 3 wt%의 PVDF가 포함된 양극 소재 혼합물을 180℃에서 powder calendering을 진행해 freestanding 전극을 제작하고, 그 구조적 특성과 전기화학적 성능을 분석했다. 특히 양극재, 도전재, 바인더를 사전에 혼합하는 pre-mixing 단계에서의 mixing 강도를 공정 변수로 설정해, premixing 단계에서의 혼합 정도가 전극 성형 특성과 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석했다.

이외에도 다양한 건식 공정 기술들이 보고되고 있는데, pitch를 활용한 반(Quasi-) 건식 공정 기술도 그중 하나이다.[32] Y. Son 연구진은 pitch를 바인더로 사용하고 소량의 solvent(0.2 ml/ g)만을 이용해 NCM 양극 슬러리를 dough 형태로 제조한 뒤 집전체에 프레스/건조하는 방식을 제시했다. 이러한 반건식 기술로 제작된 전극은 기존 슬러리 방식으로 제조한 두꺼운 전극에서 발생하는 crack 및 물성 저하 문제를 해결할 수 있다고 보고했으며, pitch의 개질을 통해 전도성 개선 등 부수적인 효과도 기대할 수 있음을 시사했다.

3. 차세대전지용 건식 공정 연구 동향

3.1 전고체전지

전고체전지(All-solid-state battery, ASSB), 특히 황화물계 전해질을 사용한 전지의 상용화를 위해서는 용매를 사용하지 않는 건식 공정이 거의 필수적이며, 특히 PTFE 기반의 건식 전극 및 분리막 제조 기술이 주목받고 있다. 최근 다양한 연구에서는 PTFE의 절연 특성, 입자 크기, 분자량, 그리고 공정 변수 등을 체계적으로 최적화함으로써, 건식 공정의 전기화학적 성능과 기계적 안정성을 향상시키려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 주요 연구 사례들의 예시가 Fig. 2에 정리되었다.

Fig. 2.

Recent research topics in dry-electrode processes for (All-solid-state battery, ASSBs). Reproduced from Shin et al. J Mater Chem A Mater 2022;10, with permission of The Royal Society of Chemistry.[34] Reproduced from Hong et al. J Power Sources 2025;655, with permission of Elsevier.[37] Reproduced from Lee et al. Adv Funct Mater 2023;33, with permission of Wiley.[40]

A. Manthiram 그룹에서는 Sulfide solid electrolyte (SE)의 용매 취약성 때문에 PTFE 기반 건식 공정이 매우 중요함을 짚으면서도, PTFE가 갖는 절연 특성을 해소하고자 노력했다.[33] 연구진은 solvate-ionic-liquid가 infiltration된 Ethyl cellulose (EC)를 바인더로 활용해 Li⁺ conductivity를 크게 향상시킨 고성능 건식 전고체 양극 제조기술을 제안했다. Lithium bis(Trifluorome-thanesulfonyl)imide (LiTFSI) 염을 ether 와 혼합하고 EC에 침지해 conducting binder 역할을 수행하게 했으며, 기계적인 물성은 PTFE 섬유화로 보충했다. 향상된 이온전도도에 힘입어, 연구진이 제안한 건식 양극은 상온 구동 조건에서도 180 mAh/g이 넘는 높은 초기 용량 발현을 보였으며 10 mAh/cm² 이상의 고용량 양극에서도 안정적인 수명 특성이 보고되었다.

Y.-J. Kim 연구진에서는 NCA 양극재와 Li₆PS₅Cl (LPSCl) SE)를 기반으로 composite 양극을 건식 공정으로 제조할 때, 양극재의 함량에 따른 전극 내부 구조, 전기화학적 특성 등의 변화를 분석했다.[34] 복합 양극 내 NCA 활물질의 함량을 75∼85 wt% 범위로 설정하고 건식 전극을 제조해 전극의 packing density와 porosity 인자를 interparticle connectivity와 연결해 해석했다. 활물질의 함량이 낮을 때는 electron conduction path 연결이 부족하고, 반대로 함량이 너무 높아서 SE의 양이 부족할 경우는 Li⁺ path가 부족한 점을 짚으며, 연구진에서는 80 wt%의 NCA 함량을 최적화된 값으로 제시했다.

PTFE의 particle size에 따른 건식 전극의 특성을 연구하고자 했던 Y.-J. Kim 그룹에서는 PTFE가 상온 환경에서도 shear stress에 의해 쉽게 섬유 형태로 변형되는 특성을 고려해, cryogenic freezer mill을 적용해 실험을 진행한 결과를 보고했다.[35] 보통 수백 um의 직경을 갖는 상용 PTFE 분말을 대조군으로 하고, 상용 PTFE 분말을 액체질소 환경에서 냉각 및 분쇄해 50∼100 um 직경의 분말들과 1∼10 um 직경의 분말들을 제조해 건식 전극에 적용하는 실험을 진행했다. 연구 결과에 따르면, PTFE의 입자가 작아질수록 전극 내에서 ion과 electron을 방해하는 insulating 저항 성분이 감소하는 것이 확인되었으며, 이로 인해 ion diffusion 특성과 출력, cycle 성능 등이 개선되었다.

비슷한 맥락으로 PTFE의 분자량에 따른 전고체전지 건식 양극 연구도 진행된 바 있다. D.-W. Kim 연구진에서는 건식 전극을 제조할 때 PTFE의 분자량에 따라 fibrillation 거동이 달라지며, 이로 인해 전극 내부 cohesion, 기계적인 강도 등이 달라짐을 확인했다.[36] 1.2∼3.2×10⁶ g/ mol 범위의 분자량에 대해 연구가 진행되었는데, 연구진은 분자량이 높은 PTFE를 사용했을 때 기계적 물성이 우수하고 내부 저항이 감소하는 긍정적 효과가 있음을 제시했다.

I. Hwang 연구팀에서는 PTFE의 fibrillation 정도에 따른 전고체전지 양극의 기계적 물성과 전극 구조적 특성, 전지에서의 전기화학적 거동 등을 분석해 보고했다.[37] 연구팀은 기존에 보고된 전고체전지 문헌들의 경우, 대기(수분)에 취약한 고체전해질 특성으로 인해 대다수의 연구 결과가 Ar-filled glove-box 내에서 mortar를 이용한 수작업으로 제작된 건식 전극의 데이터였다는 점을 지적했다. PTFE의 섬유화도를 정량적으로 제어하면서 양산성에 대한 검증도 함께 진행하기 위해, 일반적인 LIB 제조환경인 −40℃ 내외의 dew point를 갖는 dry room에서 twin screw kneader 장비로 섬유화를 진행하고, 건식 시트를 접지 않는 R2 Rcalendering 방식으로 제조했다. 전극의 기계적인 물성과 전기화학적 성능의 trade-o ff 관계 안에서 최적의 섬유화 지점 확보가 중요함을 제시했다.

PTFE 건식 공정은 전고체전지 양극뿐 아니라, 고체전해질 분리막 필름 제조에도 활용되고 있다. L. Ci 그룹에서는 0.2%w t의 소량 PTFE를 사용한 건식 공정으로 LPSCl SE 분리막을 제조해 보고했다.[38] 연구진이 구현한 40 um의 얇은 SE 분리막은 8.4 mS/ cm의 높은 이온전도도를 보이며, LPSCl이 화학적으로 손상되지 않는 건식 공정의 장점을 다시 한번 시사했다.

D. Shin 그룹에서도 건식 공정을 통한 전고체전지용 고체전해질 분리막 제조기술 연구 결과를 발표했다.[39] 이온전도도와 연성 등의 특성이 매우 우수하지만 solvent에 대한 취약성이 고질적 문제인 agyrodite계 SE의 분리막 제조기술로 PTFE 섬유화 건식공정이 주목받고 있지만, PTFE 소재에 따른 특성 연구가 미진한 점을 짚었다. PTFE의 molecular weight M_n을 핵심 변수로 설정하고, 섬유화 공정의 shear time, temperature 등을 조절하며 SE membrane의 기계적, 전기화학적 특성들을 분석해 보고했다. 0.5 wt% 함량의 PTFE만을 갖는 조성에서 두께 20 micron 미만의 SE 분리막 제조가 가능함을 보였다.

Z. Chen 연구진에서도 건식 공정을 통한 LPSCl 분리막 제조기술 연구 결과를 보고했다.[40] 해당 연구에서는 PTFE의 fibrillation 공정 조건(비율, 온도, 캘린더링 횟수, 방향 등)이 기계적 강도, 이온전도도 등 분리막 물성에 미치는 영향 체계적으로 평가했다. 또한, PTFE가 Li metal과 접촉 시 defluorination되어 전도성 carbon 종을 형성해 leakage current가 발생할 수 있는 메커니즘을 규명하고 문제를 제기했다. 이어서 이 문제에 대한 해결책으로 양극 방향에는 PTFE 함량이 높아 mechanical strength를 제공하고, 음극 방향에는 PTFE함량이 낮아 electrochemical stability가 향상된 bi-layer 구조의 SE 분리막 필름을 구현해 제시했다.

전고체전지의 에너지밀도 및 성능 향상을 위해서는 전해질 분리막의 박막화가 필수인데, 기존의 건식 공정으로 SE 분리막을 박막화할 경우 취약한 기계적 물성으로 인해 균열이 쉽게 발생하는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 Z. Chen 연구진에서는 건식 양극 필름과 분리막 필름을 co-rolling 하는 공정을 제시하여, 동시에 bi-layer 형태로 제조된 양극-분리막 복합 필름을 구현했다.[41] 복합 양극 표면에 분리막을 부착한 형태로 제작함으로써 분리막의 취약한 물성을 개선했을 뿐 아니라, 양극-분리막 계면에서의 균일한 접촉을 통한 Li⁺ 전달 개선, 접착력 향상 등의 효과를 확인했다. 향상된 계면 형성에 의해, 기존 방식(분리막, 양극 각각 제조 후 부착)으로 제작된 전지에 비해 낮은 가압 구동 환경(2MPa)에서도 개선된 용량/수명 특성을 보였다.

3.2 리튬황전지

건식 공정은 리튬-황 전지의 양극 제조에도 활용될 수 있다. 아직은 건식 양극 연구가 본격적으로 활발히 진행되고 있지는 않지만, 에너지밀도 제고를 위해 전극 면적당 양극재(황)의 로딩을 높이는 방향의 연구가 필요하다는 점에서 건식 공정의 활용 가능성이 점쳐지고 있다.

A. Manthiram 그룹에서는 기존 Li-S 배터리의 에너지 밀도를 향상하기 위해서는 sulfur cathode의 areal capacity 제고가 필수적임을 강조하며, PTFE 섬유화 방식의 건식 공정을 통한 고용량 황 양극 구현에 성공해 이를 보고하였다.[42] PEO와 PVP 바인더 기반의 slurry-casting 공정으로는 후막 양극 제조시 다수의 crac k이 발생한 반면, MWCNT와 Super P 도전재와 PTFE 바인더가 사용된 건식 양극에서는 7 mg/ cm² 이상의 후막 조건에서도 전극 가공성과 전지 성능이 우수함을 제시했다. 최대 12 mg/ cm²의 고용량 양극이 E/S ratio 6 조건에서도 효과적으로 구동함을 밝히며, 건식 양극 제조기술을 통한 리튬황 배터리의 에너지밀도 향상 가능성을 시사했다.

한편 J. Lee 연구진에서는 PTFE 건식 공정으로 고용량 후막 전극을 제조할 때 기존의 탄소-황 양극재 시스템에서 polysulfide dissolution과 shuttle 현상이 심각한 문제로 작용함을 지적하며, 이를 보완하기 위한 Selenium-doped sulfurized poly-acrylonitrile (Se-SPAN) 양극재 기반의 건식 양극을 제안했다.[43] Solid-state conversion mechanism 기반의 SPAN 특성상 polysulfide 용출 문제를 효과적으로 억제할 수 있으며, 1 D-type의 MWCNT와 건식 혼합 우수성을 보이며 고성능/고용량 리튬황 양극 구현이 가능함을 시사했다. 제안된 건식 Se-SPAN 양극은 고로딩 조건에서도 300 사이클동안 안정적인 수명 특성을 보였으며, 30 mAh/cm²이 넘는 초고용량 양극이 구현되기도 했다.

4. 결론 및 향후 전망

본 리뷰에서는 현세대 리튬이차전지 및 차세대전지 분야에서의 건식 공정기술 적용 동향 및 최근 연구 사례들을 정리했다. 인용된 전체 논문들은 Table 1에 요약해 정리되었다. 용매 기반 슬러리 공정이 지닌 환경적⋅경제적 한계는 전극 제조에서의 대량의 에너지 소비와 독성 용매 사용을 필연적으로 수반하며, 이를 해결하기 위한 건식 공정의 개발은 배터리 산업의 지속가능성과 경쟁력 확보를 위한 핵심 과제로 부상하고 있다. 특히 PTFE의 독특한 섬유화(Fibrillation) 특성을 활용한 자립형(Freest An-ding) 전극 제조는 고용량⋅고밀도 전극 설계에 유리하며, 공정 간소화와 생산 비용 절감 측면에서도 명확한 장점을 제공한다.

Table 1.

Summary of the literature reviewed in this article.

Battery System	Electrode	Process Type	Active Materials	Topics / Discoveries	Areal Capacity^*(mAh/cm²)	Energy Density^**(Wh/kg)	Ref
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	도전재, 바인더 및 공정 인자 탐색	10	793^**	[5]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCA	건식 공정 변수 제어, 도전재 탐색	10	710^**	[6]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	다공성 도전재 기반 고용량화	20	>800^**	[7]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	CNT-PVP-EtOH 분산 개선	50^*		[8]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	LCO	PTFE@CNT 동결건조 복합화 기술	15		[9]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	Spray-dried CNT/NCM로 도전재 분산	7	336	[10]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM622	PTFE 함량에 따른 전극 특성 분석	33^*		[11]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	PTFE 건식 양극의 CEI layer 분석	6.6		[12]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	PAA/PTFE co-binder로 접착력 개선	9.1		[13]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM523	PAN-PTFE composite binder 도입	9	300	[14]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM622	PAA-grafted CMC binder로 접착력	15.6	∼600^**	[15]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	기공도에 따른 건식전극 특성 분석	6.6		[16]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	SC-NCM	단결정 양극재의 건식공정 효과 분석	5.5		[17]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCMA	단결정, 다결정 bimodal 건식 양극 설계	20^*		[18]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM622	EtOH 첨가된 solvent-assisted 기술	9		[19]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM622	Twin-screw continuous process 구현	7		[20]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	LFP	고용량 LFP 건식 양극 보고	7.8	185/470^**	[21]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	LFP	LFP@CNT 기반 고밀도 LFP양극	5		[22]
LIB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM523	건식전극에서 Al 집전체의 영향 연구	13.9^*		[23]
LIB	Anode	PTFE fibrillation	Graphite	PVP binder 도입 PTFE 분해 억제	10		[24]
LIB	Anode	PTFE fibrillation	Graphite	첨가제로 PTFE 분해 억제 (FEC)	7.5		[25]
LIB	Anode	PTFE fibrillation	Graphite	첨가제로 PTFE 분해 억제	5.2	258.7	[26]
LIB	Anode	PTFE fibrillation	Graphite	Graphite 표면 PEO 코팅 보호층 제안	5.2	258.7	[27]
LIB	Anode	PTFE fibrillation	Graphite	건식 음극의 급속충전 성능 규명	6		[28]
LIB	Cathode	PVDF hot-press	NCM712	PVDF 열융착 방식의 건식공정	17.6	360	[29]
LIB	Both	PVDF ESD	NCM622, Gr	R2R 가능한 정전기분사 기술 제안	20^*		[30]
LIB	Cathode	PVDF hot-roll	NCM622	Powder mixing 공정 영향 분석	22.3^*		[31]
LIB	Cathode	Quasi-dry	NCM622	Pitch 기반의 semi-건식 전극	10.9		[32]
ASSB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	Conducting binder 적용 건식 양극	10		[33]
ASSB	Cathode	PTFE fibrillation	NCA	양극 조성에 관한 structural study	∼15^*		[34]
ASSB	Cathode	PTFE fibrillation	NCA	PTFE particle size의 영향 분석	∼15^*		[35]
ASSB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	PTFE 분자량의 영향 분석	4.7		[36]
ASSB	Cathode	PTFE fibrillation	NCM811	PTFE 섬유화도 영향 및 양산성 검증	3.9		[37]
ASSB	Membrane	PTFE fibrillation	LPSCl	SE membrane 건식 공정 구현			[38]
ASSB	Membrane	PTFE fibrillation	LPSCl	SE membrane 건식제조 최적화			[39]
ASSB	Membrane	PTFE fibrillation	LPSCl	Bi-layer SE 분리막 기술 제시			[40]
ASSB	Ca., mbr.	PTFE fibrillation N	NCM811, LPSCl	양극-분리막 Co-rolling 기술	5	310/805^*	[41]
Li-S	Cathode	PTFE fibrillation	S/KB 8:2	High-loading Scathode 구현	12^*		[42]
Li-S	Cathode	PTFE fibrillation	Se-SPAN	Se-SPAN 건식 양극으로 성능 개선	31.8		[43]

^* areal capacity is not provided; refers mass loading (mg/cm²)

^** energy density is provided with the unit of Wh/l

그러나 건식 공정의 상업적 적용을 위해 해결해야 할 기술적 도전과제도 여전히 적지 않다. 대표적으로는 PTFE의 낮은 표면에너지로 인한 활물질 및 집전체와의 접착력 부족, 도전재의 균일한 분산과 응집 방지, 캘린더링 단계에서의 입자 파손 제어, 그리고 섬유화 조건 최적화와 같은 이슈들이 있다. 이를 위해 surfactant와 극소량 용매를 활용한 hybrid 공정, co-binder 설계, PTFE 분자량 및 입자 크기 제어, 고전도 네트워크 설계 등 다양한 연구가 진행 중이다. 더 나아가 twin-screw extruder나 roll-to-roll 캘린더링과 같은 연속 공정 장비의 적용 가능성을 검증하며 실험실 수준을 넘어선 scale-up 전략도 활발히 모색되고 있다.

향후 전망으로는, 건식 공정의 활용 범위가 단순히 리튬이온전지 양극/음극 제조를 넘어서 A SSB와 같은 차세대 전지 시스템, 고에너지밀도의 Li-S 전지, LFP 기반 전지 시스템 등으로 확장될 가능성이 높다. 전극의 후막화를 통한 전지의 고에너지밀도화, 무용매 조건에서의 공정 친환경화 및 저가화 등을 주무기로, 기존의 slurry-casting 방식의 양산 공정과 상호보완적인 관계로 발전해 나갈 것으로 전망된다. 단, 현재 건식 공정은 PTFE 소재에 크게 의존적인 환경에서 개발되고 있는데, Per/ poly-f luoro alkyl substances, 과불화화합물 환경 규제와 같은 잠재적 ris k를 극복하기 위한 대체소재/기술 연구 등은 해결되어야 할 숙제로 남아 있다.

결론적으로, 건식 전극 제조 기술은 환경적 지속가능성, 제조비용 절감, 고에너지밀도 구현이라는 배터리 산업의 핵심 요구를 동시에 만족시킬 수 있는 차세대 제조 플랫폼으로서 매우 높은 잠재력을 가진다. 이를 실현하기 위해서는 소재에 대한 과학적 이해와 공정에 대한 공학적 최적화연구가 긴밀히 융합된 접근이 필요하며, 산업계와 학계의 협력을 통한 표준화와 상업적 검증이 향후 핵심 과제가 될 것이다.