Material Hybrid Manufacturing이라는 스타트업은 배터리 혁명의 다음 단계를 추진하기 위해 화학식보다는 "기하학"을 사용하려고 노력하고 있습니다. 이 회사는 이전에 Mercedes-AMG F1 팀과 Rivian에서 근무했던 엔지니어 Gabe Elias가 2023년에 설립했습니다. 다양한 곡면과 구조에 완전한 배터리 시스템을 직접 '프린팅'할 수 있는 3D 프린팅 프로세스를 개발했습니다. 이는 장치 설계에 대한 기존의 정사각형 및 원통형 배터리 셀의 제약을 깨뜨릴 것으로 예상됩니다.

올해 초 Material은 18개월 이내에 방위 및 항공우주 하드웨어를 위한 3D 프린팅 배터리 기술의 타당성을 입증하기 위해 미 공군으로부터 125만 달러 규모의 계약을 체결했으며, 구부리고 구조 표면에 맞출 수 있는 "변형 배터리"가 어떻게 설계의 자유를 누릴 수 있는지 보여주는 데 중점을 두고 있습니다. 이 신흥 트랙에서 회사는 실리콘 밸리의 Sakuú 및 독일의 Blackstone Technology와 같은 경쟁업체와 경쟁하여 특히 "모양이 기능을 결정"하는 소규모 시스템 시나리오를 대상으로 인쇄 배터리를 상용화할 기회를 잡기 위해 경쟁하고 있습니다.

Material의 독점 플랫폼인 Hybrid3D는 금형이나 기존 툴링 없이도 배터리의 모든 주요 구성 요소(양극, 음극, 분리기 및 케이스)를 층별로 인쇄할 수 있습니다. 이 시스템은 직접 기록 잉크젯 인쇄와 융합 증착 모델링의 원리를 결합하여 100~150 마이크론의 층 두께로 활성 물질을 순차적으로 증착한 다음 액체 전해질을 주입하여 배터리 코어를 완성합니다. 현재 후속 제품 형태로 솔리드 스테이트 버전도 개발 중이다.

금속 케이스, 모선 및 대규모 배선 장치에 의존하는 기존 제조 모델과 달리 이 인쇄 방법은 배터리를 기존 구조에 "눈에 보이지 않게" 통합할 수 있습니다. 드론에서는 배터리가 날개나 팔을 따라 분산될 것으로 예상됩니다. 웨어러블 기기에서 배터리는 고정된 모양의 배터리 모듈이 아닌 스마트 안경 프레임을 따라 휘어져 펼쳐질 수 있습니다. IEEE Spectrum과의 인터뷰에서 Elias는 Hybrid3D 프로세스가 배터리 화학 시스템의 유연성을 유지하면서 거의 모든 기하학적 형태에 적응할 수 있다고 말했습니다. 입력 재료와 소프트웨어 매개변수를 변경하여 NMC 811, NMC 111, 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 티타네이트 및 기타 시스템 간에 전환할 수 있습니다.

Material의 창립 팀은 처음에는 전기 자동차용 맞춤형 배터리 팩을 만들기를 희망하면서 자동차 산업에 중점을 두었습니다. 그러나 그들은 곧 전기 자동차의 전체 차량 배치 공간이 상대적으로 넉넉하다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, Rivian 픽업 트럭의 135kWh 배터리 팩은 7,700개 이상의 원통형 셀을 수용할 수 있으므로 형상 최적화의 한계 이점은 제한됩니다. 이와 대조적으로 소형 드론, 개인 군인 장비, 차세대 소비자 가전 장비는 더 엄격한 공간 제약에 직면하고 배터리는 종종 "수동 어댑터"가 됩니다. Elias가 말했듯이 다양한 전자 부품은 지속적으로 내장되고 통합되며 최적화되지만 배터리는 방정식에서 동시에 진화하지 않은 유일한 부분입니다.

개념에서 개념 증명으로 이동하기 위해 Material은 드론 제조업체인 Performance Drone Works(PDW)와 제휴하여 드론 중 하나에 배터리를 장착했습니다. 머티리얼로 프린팅한 배터리는 기존 48셀 배터리 팩과 동일한 부피를 차지하면서도 에너지 밀도는 50%, 내부 공간 활용도는 35% 증가했습니다. 팀의 계산에 따르면 이러한 효율성 향상은 비행 거리를 두 배로 늘리거나 동일한 범위를 유지하면서 탑재량을 크게 늘리는 것으로 해석될 것으로 예상됩니다. 기술이 더욱 확장되면 배터리는 차체 구조나 모터 케이스에 직접 '기록'되어 전통적인 의미의 배터리 모듈을 근본적으로 취소할 수 있습니다.

군사 시나리오에서 이 기술의 잠재적 가치는 특히 더 가볍고 인체공학적인 개별 전원 공급 시스템, 헬멧에 전원 공급 장치를 직접 통합하여 고성능 광학 장비 및 통신 시스템을 지원한다는 점에서 분명합니다. 엘리아스는 Mercedes-AMG에서 일할 때 공기역학과 무게 배분을 최적화하기 위해 F1 운전석 주변에 배터리 셀을 배치하려고 했지만 기계적 복잡성이 너무 높아 결국 보류되었다고 회상했습니다. 이 경험은 나중에 "배터리를 구조의 일부로 만든다"는 적층 제조 아이디어에도 기여했습니다.

그의 견해에 따르면 이는 셀을 모듈로 만드는 것에서 직접 배터리 팩으로 만들고, 이제는 에너지 저장 장치를 독립적인 구성 요소가 아닌 구조적 하위 시스템으로 전환하는 '배터리 팩에 직접 연결된 셀'이라는 개념을 이어가기 위한 불가피한 경로입니다. Material의 최초 상용급 인쇄 장치는 플랫폼 크기가 550×350mm이며 회사는 이미 더 큰 부품의 성형을 지원하는 더 큰 형식의 프린터를 개발하고 있습니다. 이는 또한 생산 모델이 근본적인 변화를 겪을 수 있음을 의미합니다. 미래에는 특정 제품이 값비싼 생산 라인 수정 및 금형 투자 없이 CAD 모델에서 실제 개체로 직접 전환될 수 있습니다.

Elias는 전통적인 가전제품 대기업들도 구조에 맞는 배터리 솔루션을 모색하고 있다고 지적했습니다. 예를 들어, Apple은 본체 내부 공간을 더 많이 확보하기 위해 기존 공정을 통해 iPhone에 L자형 및 특수형 배터리를 많이 사용해 왔습니다. 유사하거나 훨씬 더 복잡한 기하학적 형태를 프린팅으로 구현할 수 있다면 비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 확장성도 더욱 강화될 것으로 보고 있으며, 이는 향후 외관과 배터리 수명을 모두 고려하려는 스마트 안경과 같은 웨어러블 기기에 매우 중요할 것이라고 믿습니다.

이 개념이 실제로 구현되려면 재료는 공정 안정성, 특히 재료의 유변학적 특성과 층 두께 제어를 계속해서 개선해야 합니다. 수율과 성능의 일관성을 보장하려면 인간의 머리카락 너비에 가까운 규모로 높은 수준의 일관성을 유지해야 합니다. 그럼에도 불구하고 경제적인 관점에서 전망은 매력적입니다. 일단 성숙되면 3D 프린팅 배터리는 단일 셀부터 멀티 킬로와트시 배터리 팩까지 광범위한 가격대를 포괄할 것으로 예상되며 후자의 현재 시장 가격은 킬로와트시당 약 400~3,000달러에 이릅니다.

인쇄된 배터리는 부품을 줄이고 조립 공정을 단순화함으로써 모양과 무게에 특히 민감한 항공우주 및 국방과 같은 복잡한 응용 분야에서 더 높은 수익 마진을 달성할 것으로 예상됩니다. 이러한 분야에서는 구조적 통합과 유연성이 순수 단위 비용보다 더 중요한 경우가 많기 때문입니다. Material의 경우 Hybrid3D가 궁극적으로 실현 가능하다는 것이 입증되면 배터리의 모양은 더 이상 디자인에 제약이 되지 않고 디자인 자체의 일부가 될 것입니다.