2025년 7월, 테슬라가 공개한 국제출원 WO2025015194A1은 리튬인산철(LFP) 양극재 제조 공정에 관한 특허다. 100페이지가 넘는 방대한 분량으로, 4680 셀의 LFP 버전을 위한 캐소드 파우더 제조 노하우를 담고 있다. 그동안 LFP 원가 경쟁력은 CATL·BYD를 비롯한 중국 배터리사들의 독무대였는데, 테슬라가 이 영역에 정면으로 뛰어든 셈이다.
이 특허가 흥미로운 이유는 셀 설계가 아니라 ‘분말을 어떻게 만드는가’라는, 겉보기엔 지루한 공정 문제를 다루기 때문이다. 그러나 LFP 원가의 상당 부분은 바로 이 소성(calcination) 공정에서 갈린다.
기본 원리 — 재순환으로 미세분말 문제를 우회하다
LFP를 만들 때는 철 소스·리튬 소스·인 소스·탄소 소스를 섞어 슬러리를 만들고, 분무 건조(spray drying)로 입자화한 뒤 고온로에서 소성해 결정 구조를 완성한다. 문제는 분무 건조 직후 생기는 1차 입자(initial particle)가 대개 D50 1~5마이크로미터 수준으로 매우 미세하다는 점이다. 이런 미세분말은 날림(분진) 문제를 일으키고, 도가니 없이 입자를 직접 컨베이어로 나르는 저비용 연속로(ro터리킬른 등)에서는 다루기가 까다롭다. 그래서 업계는 대개 도가니(crucible)를 쓰는 배치로를 택해왔는데, 이는 처리량이 낮고 설비비가 비싸다.
테슬라의 해법은 간단하지만 효과적이다. 1차 입자를 그대로 소성로에 보내지 않고, 챔버 안에서 다시 원료 혼합물과 섞어 재순환(recirculation)시켜 더 큰 2차 입자(subsequent particle, D50 수백 마이크로미터~수 밀리미터)로 뭉친 뒤 소성한다. 입자가 커지면 미세분진이 사라지고, 도가니 없는 저가형 연속로(로터리킬른, 롤러 허스 킬른 등)를 그대로 쓸 수 있다.
자료: WO2025015194A1 청구항 구성을 바탕으로 편집부가 재구성한 개념도(특허 원 도면·원문을 그대로 전재하지 않음).
비교 — 기존 습식 공정 vs 테슬라식 재순환 공정
| 구분 | 기존 분무건조+배치소성 | 테슬라 재순환 공정(WO2025015194A1) |
|---|---|---|
| 1차 입자 크기(D50) | 1~5μm (미세분진 발생) | 동일하게 형성되나 재순환으로 흡수 |
| 소성 투입 입자 크기 | 미세분말 그대로 | D50 수백μm~수mm(재순환 후) |
| 필요 소성로 | 도가니 포함 배치로(고비용) | 도가니 불필요, 연속 킬른 가능 |
| 공정 안전성 | 분진 폭발·흡입 리스크 관리 필요 | 더스트프리(dust-free) 공정 |
| Li 채널 내 Fe 혼입률(Fe_Li%) | 1.5~2% 수준(비교예) | 0.8~0.9% 수준(실시예) |
특허 관점 — 청구항의 핵심
WO2025015194A1의 독립항은 다음 과정을 특징으로 한다: ①철 소스·리튬 소스·탄소 소스를 혼합해 1차 혼합물을 만들고, ②챔버 내에서 1차 입자를 형성하며, ③이 1차 입자 형성과 ‘동시에(concurrently)’ 챔버로 재순환시켜 2차 입자를 만들고, ④2차 입자를 소성해 LFP를 완성한다. 별도 청구항에서는 이 공정으로 만들어진 LFP 입자가 D50 30μm~수mm 범위를 가지며, 리튬 채널 내 철 혼입률(Fe_Li%)이 2% 미만이라는 물성치까지 권리범위로 못 박았다. 소성로 자체에 대한 장치 청구항도 별도로 존재해, 도가니 없이 D50 5μm 이상 입자를 처리하도록 구성된 소성로라는 표현으로 장비 자체도 보호하고 있다.
자료: WO2025015194A1 청구항 요지를 바탕으로 편집부가 재구성(청구항 원문 문장을 그대로 전재하지 않음).
주목할 점은 이 공정이 LFP뿐 아니라 NMC, LMO 등 다른 양극재에도 동일하게 적용된다고 명시한 점이다. 실시예에는 NMC811 전구체를 롤러 컴팩터로 압축·재순환시켜 소결하는 사례까지 포함돼 있어, 테슬라가 이 재순환 공정 자체를 범용 양극재 제조 플랫폼으로 설계했음을 보여준다.
한계와 전망
이 특허가 실제 양산 원가를 얼마나 낮출지는 아직 검증 구간이다. 재순환 루프는 공정 제어가 늘어난다는 뜻이기도 해서, 실험실 규모의 성공이 기가팩토리급 연속 생산으로 그대로 이어질지는 지켜봐야 한다. 다만 테슬라가 굳이 소성로 자체를 별도 장치 청구항으로 보호한 점은, 이 회사가 셀 설계뿐 아니라 소재·설비 단까지 자체 밸류체인을 촘촘히 채워가겠다는 의지로 읽힌다. LFP 저가 경쟁의 무대가 중국 기업들만의 독무대가 아니게 될 수도 있다는 신호다.