ALBATROSS 고속 전해질 스크리닝 자동화 로봇 시스템

초록

ALBATROSS는 아르곤 분위기 글러브박스 내에서 전해질 혼합, 48개의 코인셀 자동 조립, 전기화학 사이클링 및 임피던스 측정을 전 과정 자동화한 시스템이다. 4 분 내에 하나의 셀을 완성하며, 방전 용량 RSD < 1.2 %와 EIS 저항 표준편차 < 3 Ω의 높은 재현성을 보여 전해질 개발 속도를 크게 높일 수 있다.

상세 분석

본 논문은 차세대 리튬이온전지 전해질 개발을 위한 고속·고신뢰성 실험 플랫폼인 ALBATROSS를 설계·구축하고, 그 성능을 정량적으로 검증하였다. 첫째, 6축 로봇 암(xArm6)과 온도 제어가 가능한 액체 핸들러(OT‑2)를 결합해 전해질을 자동으로 배합·혼합한다. EC와 같은 고체 상태 용매는 60 °C로 가열해 액체화한 뒤 피펫 팁에 남은 잔류액을 제거하고, 20회 반복 혼합으로 균일성을 확보한다. 둘째, 맞춤형 그리퍼와 진공 그리퍼를 병행 사용해 코인셀 케이스, 전극, 분리막, 스프링 등을 정확히 집어올리고, 자동 프리머(크리머)로 압착한다. 이때 12개씩 묶은 부품을 회전·스택식 지지구조에 배치해 좌표 보정 포인트를 336→8개로 축소, 재보정 시간을 크게 단축하였다. 셋째, 48개의 사이클링 채널과 2개의 EIS 채널을 갖춘 가니트 시스템을 도입해 조립 직후 자동으로 형성·주기 사이클을 수행하고, 각 C‑rate 단계마다 30 분 휴지 후 전임피던스 스펙트럼을 측정한다. 셀당 전체 사이클링은 6일이 소요되며, 월 240셀 이상의 데이터 생산이 가능하다. 재현성 테스트에서는 자동 조립 40셀과 수동 조립 40셀을 동일 전해질(1 M LiPF₆ in EC:EMC 3:7 % + 2 wt % VC)로 평가했으며, 방전 용량 평균 3.12 Ah·g⁻¹, RSD = 1.1 %를 기록, 수동 대비 차이가 없었다. EIS 측정에서도 45셀에 대해 저항값 표준편차가 2.8 Ω 이하로 일관성을 보였다. 이러한 결과는 로봇 팔의 정밀한 위치 제어와 맞춤형 부품 지지구조가 셀 내부 압력·전해질 주입량 변동을 최소화했음을 의미한다. 또한, 6축 로봇을 글러브박스 내에 배치함으로써 작업 범위를 700 mm까지 확장, 대량 셀 조립과 동시에 다양한 실험 장비와의 연동을 구현했다. 마지막으로, 시스템은 전해질 조성 공간을 자동으로 탐색하고, 사이클링·EIS 데이터를 실시간으로 수집·저장해 AI 기반 최적화 루프와 연계할 수 있는 기반을 제공한다. 전반적으로 ALBATROSS는 전해질 스크리닝의 병목인 수작업 조립·측정을 제거하고, 데이터 품질과 생산성을 동시에 향상시킨 혁신적인 자동화 플랫폼이다.