테슬라의 건식 전극 공정은 단순한 아이디어를 넘어, 고분자 물리, 분말 야금, 열역학이 정교하게 결합된 엔지니어링의 결정체입니다. 전체 공정은 크게 4단계로 나뉩니다: 1) 고전단 혼합 및 섬유화(High-Shear Mixing & Fibrillation), 2) 필름 압출 및 형성(Film Extrusion & Forming), 3) 집전체 합지 및 캘린더링(Lamination & Calendering), 4) 소결 및 구조 안정화(Sintering & Stabilization). 1단계: 섬유화 이 공정의 심장부입니다. 활물질(예: NMC811)과 도전재(카본블랙), 그리고 핵심인 PTFE 분말을 특수 설계된 고전단 믹서에 투입합니다. 이 믹서는 단순 교반기가 아니라, 내부 블레이드가 수천 RPM으로 회전하며 강력한 전단 응력(Shear Stress), au = \eta rac{du}{dy}, 을 유발합니다. 여기서 \eta는 혼합물의 점도, 는 속도 구배입니다. PTFE 입자는 이 응력을 받아 원래의 구형 구조가 파괴되고, 분자 사슬이 풀리면서 나노미터 직경의 섬유(fibril)로 변형됩니다. 성공적인 섬유화는 임계 전단률(critical shear rate)을 넘어야만 발생하며, 이는 투입 에너지와 직접적인 관련이 있습니다. 이 PTFE 섬유 네트워크가 활물질 입자들 사이를 3차원적으로 엮어주는 '그물망' 역할을 하여, 액체 바인더 없이도 혼합물이 구조적 안정성을 갖게 합니다. 섬유화된 혼합물은 정밀 제어되는 롤러 또는 다이(die)를 통해 얇고 균일한 두께의 필름 형태로 압출됩니다. 이 필름은 '자체 지지(self-supporting)' 특성을 가져, 별도의 지지체 없이 다룰 수 있습니다. 필름의 두께 균일성은 배터리 성능과 직결되므로, 롤러의 간격은 마이크로미터 단위로 제어되며, 압력 분포를 실시간으로 모니터링하여 편차를 보정합니다. 일부 구현에서는 정전기력을 이용하여 분말을 집전체에 뿌린 뒤 압착하는 방식을 사용하기도 합니다. 생성된 건식 필름을 구리(음극) 또는 알루미늄(양극) 집전체 박 위에 올려놓고, 가열된 고압 롤러 사이를 통과시킵니다. 이 캘린더링 공정은 두 가지 핵심 목표를 가집니다. 첫째, 필름을 집전체에 물리적으로 완벽하게 접착시킵니다. 둘째, 전극의 다공성(porosity), 즉 내부의 빈 공간 비율을 목표치(통상 25~35%)로 정밀하게 압축합니다. 다공성은 이온이 이동하는 통로이므로, 너무 낮으면 저항이 커지고 너무 높으면 에너지 밀도가 낮아집니다. 롤러가 가하는 압력 은 전극의 최종 밀도 를 결정하며, 이는 배터리의 체적 에너지 밀도(Wh/L)와 직결됩니다. 캘린더링을 거친 전극은 약 160°C ~ 250°C (PTFE의 용융점 이하)의 온도로 가열되는 소결로(sintering furnace)를 통과합니다. 이 열은 PTFE 섬유를 부드럽게 만들어 활물질 입자들과의 접점을 녹여 붙이는 '용접'과 같은 역할을 합니다. 이 과정을 통해 기계적 강도가 극대화되고, 충·방전 시 활물질의 팽창/수축에도 안정적인 구조를 유지하게 됩니다. 소결 공정의 열전달은 푸리에 법칙, , 으로 모델링할 수 있으며, 여기서 는 전극의 열전도도, 는 온도 구배입니다. 전극 전체에 균일한 온도를 빠르게 전달하여 구조적 안정성을 확보하는 것이 핵심 기술입니다. 이 네 단계를 거치면서, 기존 수십 미터 길이의 건조 오븐과 용매 회수 시스템이 사라지고, 몇 미터 길이의 컴팩트한 라인으로 대체됩니다. [시각 자료 제안: 기존 습식 공정(슬러리 믹싱 → 코팅 → 건조 → 캘린더링)과 테슬라 건식 공정(건식 믹싱/섬유화 → 필름 형성 → 캘린더링/소결)을 나란히 비교하는 인포그래픽]
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