우주 배터리 인증은 전극 공정에서 시작된다 — 코팅·압연·슬리팅 결함과 내부 단락

기획 · 궤도 위의 전기 5/6 · 실무 심층 | 우주 소재·탐사기술

롤투롤 전극 공정, 결함이 들어오는 여섯 자리

리튬이온 셀은 슬러리 믹싱(mixing), 코팅·건조, 압연, 슬리팅, 진공 건조, 권취(winding)·적층(stacking), 용접·패키징, 주액, 화성(formation), 에이징(aging)을 거치며, 코팅과 건조는 롤투롤로 이어진다. 압연은 전극 밀도와 공극률(porosity)을 조정하는 단계다(Liu 외, 2021).

Mohanty 외(2016)는 코팅 중 생기거나 일부러 넣은 응집(agglomerate), 핀홀(pinhole), 금속 입자 오염, 불균일 코팅이 NMC532(LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂) 양극 성능에 주는 영향을 비교했다. 응집은 믹싱 부족, 핀홀은 슬러리 공급 오류, 금속 입자는 코팅 중 설비 등에서 온다고 봤다. 용량 감소는 코발트 입자 오염에서 가장 빨라 2C 방전 3사이클 만에 용량이 0이 됐다. 다만 압연하지 않은 전극의 코인셀 결과라 실제 셀에 그대로 옮길 수 없다.

압연에서는 집전체 가장자리 주름(edge wrinkling)이 중요한 형상 결함으로 꼽힌다. 2026년 9월호의 3차원 유한요소(FE, finite element) 해석은 압착된 코팅부와 무지부(bare foil)의 변위 불일치가 알루미늄 박에 면내 전단과 인장·압축 혼합 응력을 만들어 주름이 생기며, 되감기(rewinding)·풀기(unwinding) 장력(tension) 차가 가장 큰 인자라고 보고했다(Ge 외). 슬리팅에서는 절단 가장자리의 버와 드로스(dross)가 분리막을 뚫어 단락을 낼 수 있다(Liu 외). NASA 리튬이온 가이드라인(NASA/TM-2009-215751)도 내부 단락 원인으로 금속 버, 정렬 불량, 분리막 파손을 든다.

금속 이물과 슬리팅 버는 어떻게 내부 단락이 되나

JSC 20793은 내부 단락 경로를 둘로 나눈다. 제조 관리 부실로 불순물·이물이 잠복 결함(latent defect)으로 남았다가 나중에 분리막을 뚫는 경로와, 사양을 넘는 충방전·온도로 리튬·구리 덴드라이트가 자라는 경로다. NASA 가이드라인은 진동으로 떨어져 나오는 금속 버·입자·먼지를 흔한 단락 원인으로 꼽는다. 발사 진동이 공장 결함의 방아쇠가 될 수 있다.

그림 2. 권취형 셀 전극 적층의 등각 분해도(개념도, 두께·크기 비례 아님). 붉은 표시는 문헌이 든 결함 위치, 노란 점선은 구리 입자가 녹아 음극에 석출되는 경로다.

금속 이물은 분리막을 직접 뚫지 않아도 된다. 양극에 심은 구리 입자는 양극에서 녹아 음극에 석출된 뒤 분리막 기공을 따라 자라 연성 단락(soft short)을 만들었다. 20 μm 입자도 수십 kΩ급 단락을 만들었고, 관통형보다 작아 제조 중 검출이 어렵다(Sun 외, 2022). 후속 연구에선 단락점이 양극 전위에서 다시 녹아 단락 현상이 차츰 사라졌다(Sun 외, 2023).

사후 규명도 어렵다. 2013년 보잉 787 배터리 화재를 조사한 미국 국가교통안전위원회(NTSB, National Transportation Safety Board)는 열 손상 탓에 셀 내부 단락의 원인을 판정하지 못했고, 제조 공정이 권취 주름과 이물(FOD, foreign object debris)을 허용했으며 조립 후 검사가 이를 신뢰성 있게 잡지 못했다고 지적했다.

우주 배터리 인증은 셀을 어떻게 거르나 — 선별과 매칭

유인 우주선 기준인 JSC 20793은 맞춤형 비행 배터리용 셀 전량에 외관, 질량, 개방전압(OCV, open circuit voltage) 유지, 교류·직류 저항의 100% 수락 선별을 요구한다. OCV 불안정, 낮은 쿨롱 효율, 저항 요동, 높은 자가방전은 내부 결함의 지표이고 정렬 불량은 X선으로 본다. 최소 10회 충방전과, 공정 불량 확인 수준보다 상당히 높은 진동 선별도 권고한다. 연성 단락은 0% 충전 상태까지 천천히 방전한 뒤 14일간 OCV 회복을 보고 찾기도 한다.

JSC 6장의 모범 사례(비강제)는 통계 기준도 권고한다. 소형 상용 셀은 ±3σ 이상치를 뺀 뒤 로트의 6σ 폭이 평균 대비 OCV 1%, 질량 2%, 용량 5%, 저항 15%를 넘지 않도록 하고, 탈락이 15%를 넘으면 로트를 거부한다. 셀 수가 적은 대형 맞춤 셀은 매칭 비중이 커지며, 기준은 OCV·질량 0.1%, 용량 5%, 저항 10% 이하다. 매칭과 균등화 회로가 균일도 나쁜 로트를 받아들이는 근거가 돼서는 안 된다고도 적는다(요지).

로트 파괴 시험과 DPA가 보는 것

비행 셀 로트 파괴 시험(flight cell lot destructive testing, JSC 20793 자격 시험 절 4.2.2)은 파괴 시험 항목마다 로트의 3% 이상 또는 3셀 중 큰 수를 무작위로 뽑되, 항목당 350셀을 넘지 않아도 된다. 컴퓨터 단층촬영(CT, computed tomography) 뒤 파괴 물리 분석(DPA, destructive physical analysis)을 권고하고, 제작 방법의 변동은 로트 거부 사유다. 국제우주정거장(ISS, International Space Station) 리튬이온 배터리도 로트별 2%를 저궤도 모사 수명 시험에, 1%를 방전 심도(DoD, depth of discharge) 100% 100사이클 뒤 DPA에 돌리고 생산 라인을 매년 감사한다고 밝혔다(NASA, 2016).

선별은 결함 자체가 아니라 결함이 만든 전기·영상 신호를 잡으므로, 신호가 늦거나 사라지는 결함과 합격 범위 안쪽의 편차는 인증을 통과할 수 있다.

인증이 거를 수 없는 것 — 1 − (1 − p)^N의 세 얼굴

JSC 20793 부록 B는 유인 우주선에 허용되는 셀 제조 공정을 치명적 셀 내부 단락 고장률 1 ppm(백만분율) 미만을 달성하는 공정과 부합하는 공정으로 적는다(요지). 이 값을 셀당 결함 확률 p로 두고 P = 1 − (1 − p)^N을 세 번 읽는다. 첫째, 배터리 위험. GS 유아사 134 Ah 셀 30직렬 × 24개인 ISS의 720셀에 결함 셀이 하나라도 있을 확률은 p = 1 ppm에서 0.07%, 10 ppm에서 0.72%, 100 ppm에서 6.9%다(10·100 ppm은 가정).

둘째, 표본에 섞일 확률. 표본 상한 350셀에 드문 결함이 들어올 확률은 1 ppm에서 0.035%, 100 ppm에서도 3.4%다. 로트의 10%에 걸친 계통 결함(가정)이면 표본에 결함 셀이 1개 이상 들어올 확률이 3셀로 27%, 30셀(가정)로 96%다. 로트 시험이 로트 안 품질 변동을 보는 도구인 이유다. 셋째, 입증. 신뢰수준 90%로 결함률 p 이하를 무고장 시험으로 보이려면 약 2.3/p개, 곧 1 ppm에 약 230만 셀이 필요하다. NASA 가이드라인의 수명 시험 표본 20셀은 신뢰도 88%·신뢰수준 90%를 보이는 크기다.

결국 ppm 급 잠복 결함은 시험만으로 다 거를 수도, 없다고 입증할 수도 없다. 공정 관리로 만들지 않고 설계 내성으로 견뎌야 한다. JSC 20793이 생산 라인 감사를 권고하고, 비에너지 80 Wh/kg을 넘는 셀로 만든 80 Wh 초과 배터리에 최악 단일 셀 열폭주의 심각도와 셀 간 전파 가능성 평가를 요구하는 것도 같은 논리다. 위성을 대량으로 만들면 N도 커져, 셀 100개짜리 위성 1,000기(가정)면 p = 10 ppm에서도 결함 셀이 어딘가에 있을 확률이 63%다.

새 화학계가 우주로 올 때 다시 써야 하는 것

위 선별 지표는 기존 리튬이온 셀에서 나왔다. 연속 공정이 많고 소재·셀 설계가 공정에 크게 작용해 실험실 성과를 생산 규모로 옮기는 일 자체가 난제라는 지적도 있다(Kwade 외, 2018, 초록). 극저온 동작을 내세운 새 화학계(영하 80도에서도 죽지 않는 배터리: 솔리디온 극한기후 배터리가 겨냥한 궤도 AI 데이터센터)가 우주로 오면 결함 목록과 선별 지표부터 다시 써야 한다. NASA 가이드라인은 실시간 수명 데이터 없는 새 셀 설계에 더 큰 수명 말기(EOL, end of life) 에너지 여유를, JSC 20793은 공학 단계 DPA 뒤 DPA 합격 기준을 정하라고 한다. 고체 전해질 셀 결함이 OCV 유지나 X선·CT에 어떤 신호로 나타나는지는 공개 우주 인증 문서에서 확인하지 못했다.

전력·에너지 관점

Point. 공장의 결함률은 궤도에서 질량과 DoD 여유로 청구된다. 드문 잠복 결함에는 내성 질량이, 흔한 균일도 편차에는 DoD 여유가 붙는다.

Reason. 잠복 결함은 시험으로 입증할 수 없으니 셀 쌍 사이 차단막·간격·배출 방향 제어로 가둬야 하고, 모두 질량이다. 균일도 편차는 직렬 스트링에서 DoD 편차가 된다. 직렬 셀은 같은 전하량 Q를 내보내므로 셀 i의 실제 용량 기준 깊이는 DoD_i = Q / C_i다. NASA 가이드라인의 배터리 DoD는 정격 용량 기준이지만 셀이 겪는 깊이는 자기 용량이 정하고, 에너지 예비량도 첫 셀이 하한 전압에 닿는 때를 끝점의 하나로 둔다. 같은 문서는 사이클에 따른 가용 용량이 온도와 DoD의 영향을 받는다고 적는다.

Example. ISS 배터리 궤도 교체 단위(ORU, orbital replacement unit)의 사양 중량은 435 lb(약 197 kg)이고 셀 30개가 105.9 kg, 약 54%다. 나머지 약 91 kg에는 외함·전자장치·차폐와 셀 쌍 사이 복사 차단막 12장이 있다(구성별 질량 미공개). NASA는 이 차단막을 787 사고 이후의 안전 보강으로 적었다. 명목 DoD 30%(가정)에서 JSC 대형 셀 매칭 경계인 용량 −5% 셀은 31.6%, 소형 셀 균일도 경계(σ ≈ 0.83%)의 30직렬 최약 셀은 기댓값 30.5%까지 방전한다. 매 궤도 충전 종지 전압에서의 균등화는 상단 충전 상태만 맞출 뿐 용량 차이는 남긴다.

Point. 그래서 우주 배터리 전력 예산의 첫 줄은 공장에서 쓰인다. 선별이 놓친 몫은 차단막의 질량으로, 균일도가 남긴 몫은 가장 약한 셀의 DoD로 궤도에 오른다.

반론과 제약. 1 ppm은 공정 기준값이지 특정 셀의 측정 고장률이 아니고, JSC는 예방 중심 접근이 열폭주를 매우 일어나기 어려운 사건으로 만들었다고 적는다. 위 확률은 예측이 아닌 민감도다. 반대로 로트 계통 결함이 섞이는 최악 조건(Worst-case)에선 독립 가정이 깨져 위험이 커진다. 소형 셀을 많이 묶으면 N은 커지지만 셀당 에너지는 작다. 시스템 변수로는 균일도 부족 → 최약 셀 DoD 증가 → EOL 용량 여유 → 배터리 질량 → 발사 질량이 이어지고, 전파 억제 간격을 넓히면 방열 경로와 히터 전력 예산도 다시 짜야 할 수 있다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 셀 선별과 수명 시험은 대부분 1기압 실험실과 가진기에서 이루어지고 비가압 배터리는 열진공 시험(JSC 기준 1×10⁻⁴ Torr 미만)도 거치지만, 궤도의 배터리는 발사 진동 뒤 고진공과 열 순환 속에서 수만 사이클을 돈다. 인용한 결함 실험도 코인셀·인위 결함·해석 모델 결과이므로, 선별 통과를 궤도 무결함으로 확언할 수 없다.

정리하면 우주 배터리 인증은 결함을 찾는 절차이기 전에 결함을 만들지 않는 공장을 고르는 절차이고, 끝내 걸러지지 않는 몫은 궤도에서 질량과 DoD 여유로 치른다.