배터리 제조는 전극공정 -> 조립공정 -> 활성화 공정 -> 팩 공정으로 크게 4가지 공정으로 이루어져 있다.
전극공정: 배터리의 양극과 음극을 만드는 공정
조립공정: 전극공정을 통해 양극판과 음극판이 완성되면 배터리에 분리막과 전해질까지 모아 조립하는 공정
활성화 공정: 배터리에 전기 에너지 특성을 만들어 주는 공정. 에이징과 충, 방전을 반복한다.
팩 공정: 제조된 배터리 셀들을 최종 납품 전, 모듈화하여 pack에 넣는 과정
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우선 전극공정에 대해서 알아보자
전극공정은 크게 5가지(믹싱공정, 코팅공정, 롤 프레싱 공정, 슬리팅 공정, 노칭공정)로 구성된다.
이 전극공정은 2차전지 투자의 약 30%금액을 차지한다.
믹싱공정(Mixing)
- 믹싱 공정은 배터리의 양극과 음극을 만드는데 각종 원자재들을 혼합하는 과정이다. 배터리 소재의 기초가 되는 활물질과 용매들을 섞어 슬러리를 만든다. 양극재는 PVDF(폴리비닐리덴 플로라이드) 불소수지 바인더와 용매인 NMP(노말메틸필로리돈)를 사용한다. 음극재는 인조 흑연의 PVDF 바인더와 NMP를 사용하며, 천연흑연의 경우 SBR바인더와 물을 용매로 사용하며 도전재로 CMC를 사용한다.
- 믹싱 공정의 위에 말한 바인더 용매 도전재를 섞고 나온 결과물인 슬러리를 만드는 것으로 정리 할 수 있다.
코팅공정(Coating)
- 믹싱공정을 통해 완성된 슬러리는 코팅기계를 통해 전극 역할인 구리 포일과 알루미늄 포일 위에 얇게 코팅하는 공정을 거치게 된다. 얇게 코팅된 전극들은 100℃이상에서 건조하는 과정을 거친다. 이 코팅공정은 전체 공정의 약 18%를 차지하고 있으며 전지 설계 대부분의 변수를 결정하는 중요한 공정이다. 이때, 알루미늄과 구리의 코팅된 전극들이 손상되지 않도록 Roll-to-Roll 장비 제어 기술로 균일하게 코팅을 진행한다. 이때 마이크론 단위의 극판을 코팅공정을 진행하면서 찢어지지 않도록 하며 두께를 일정하게 뽑아내는게 중요하다.
- 코팅 공정에서는 "N/P비율"을 결정해야하는데, N/P = 음극 총용량/양극 총용량 이며 N/P 비율에 따라 배터리의 성능과 안정성이 결정되므로, 위 공정에서 중요한 요소이다. 배터리 제조사마다 본인들의 needs에 맞기 위 비율을 조절하며 코팅 공정을 진행하고 있다.
N/P 비율 ↓ : 배터리용량 ↑, 배터리 안전성 ↓ , N/P 비율 ↑ : 배터리 수명 ↑, 비용 ↑
- 코팅을 진행하고 오븐을 통해서 슬러리 내의 용매를 증발시켜 날려버리는 것을 건조공정이라 한다. 건조 공정은 코팅 장비내 설치되어 있다.
롤 프레싱 공정(Roll Pressing)
- 롤 프레싱 공정은 배터리 전극의 밀도와 성능, 표면의 품질을 결정하는 공정이다.두 개의 커다란 롤 사이로 전극을 통과시켜 전극을 납작하게 만들어 주는 공정이다. 전극이 납작해질수록 에너지 밀도가 상승하게 되고, 전극의 두께를 줄이며, 전극과 활물질과의 결합력을 증대시켜 활물질에 리튬이온이 원할하게 이동할 수 있게 만들어준다. 이를 통해 전지의 출력과 성능이 향상된다.
* 활물질 : 양극 활물질은 NCM, LFP, 음극 활물질은 흑연, 실리콘등이 쓰임
- 위 공정에서 전극의 밀도를 결정하는 요소가 있는데 이걸 합제 밀도라 한다. 합제는 활물질과 도전재, 바인더가 혼합된 슬러리이며 합제 밀도는 이 합제 소재가 잘 눌리는 정도를 의미. 합제 소재는 집전체 위에 위치한다. 일반적으로 양극재는 열간 가압, 음극재는 상온 가압을 실시한다.
- 롤 프레싱 공정에서 압연기는 사용하는데 동작롤과 지원롤 2가지로 구성되어있다. 배터리 분야에서는 같은 지름인 한 쌍의 롤러를 압연기로 사용한다.
슬리팅 공정(Slitting) 및 노칭 공정(Notching)
- 롤 프레싱 공정을 통해 나온 전극들을 원하는 사이즈에 따라 절단을 하게되는데, 전극을 세로 방향으로 자르는 것을 슬리팅 공정이라 하며, V 홈(+극)과 탭(-극)을 만드는 것을 노칭공정이라 한다. 이를 통해 배터리의 양극과 음극을 만드는 전극 공정이 마무리 된다.
- 슬리팅 공정에서는 칼날을 이용하여 완성된 극판을 자르는데 배터리 셀의 크기에 따라 칼날이 변경되며, 슬리팅이 끝나면 진공 건조기를 통해 수분을 제거 한다.
- 노칭 공정은 슬리팅 공정을 거친 전극에서 코팅 처리가 안된 빈 공간인 '무지무; 에서 탭을 접지하기 위한 부분을 남기고 그 외 부분을 잘라낸다. 이때 절단부를 일정하게 만들어주기 위해 레이저를 장비를 통해 절단한다. 레이저를 사용하면 이물질과 파단 발생이 적으며, 공정 속도가 프레스 장비보다 빠르고, 칼날을 교체해야 하는 프레스 장비보다 유지 관리 비용이 적다는 장점이 있다.
위 과정들을 지나면 배터리의 양극과 음극을 만드는 전극 공정이 모두 마무리된다.
조립공정
전극공정을 통해 완성된 양극 및 음극판을 분리막, 전해질등 배터리 4대 요소를 합치는 조립 공정으로 이어진다.
조립공정은 배터리 전체 공정중 약 17%를 차지하며, 배터리 셀의 형태나 제조 업체의 기술에 따라 공정이 달라진다.
조립공정은 노칭공정, 와인딩 공정(원통형, 각형 배터리)/ 스태킹/폴딩 공정(파우치형 배터리), 탭 웰딩 공정, 패키징 공정으로 이루어져 있다.
노칭 공정(Notching)
- 양극과 음극 탭을 제조하기 위해 배터리 모양에 맞추어 극판을 알맞은 크기로 자르는 것을 노칭공정이라한다. 이 노칭 공정은 롤(roll) 형태로 길게 이어진 양극판과 음극판을 다양한 배터리 모양에 맞추어 단일 극판 형태로 자르는 작업을 수행한다. 작업을 수행하면서 탭 웰딩으로 탭들을 접착할때 도움을 주기 위해 무지무를 남긴다. 전극공정의 노칭과 마찬가지로 프레스 노칭 장비와 레이저 노칭 장비로 구분되는데, 레이저 노칭 장비를 많이 쓰며, 레이저는 양극 레이저와 음극 레이저로 나뉘어 진다. 양극 레이저는 음극보다 더 높은 밀도의 레이저 노칭 기술이 필요하다.
- 탭을 접지하기 위해 부분을 남기는 작업을 진행하면서 전지의 형태에 따라 남기는 무지부의 위치와 모양이 달라질 수는 있다.
와인딩 공정(Winding)
- 위 공정은 원통형과 각형 배터리에 적용되며 양극(Cathode), 음극(Anode), 분리판(Seperator)을 쌓아서 와인더라는 기계를 사용하여 돌돌 말아서 적당한 크기로 잘라 젤리롤 형태로 만드는 방식이다. 이후 양극과 음극 무지부에 알루미늄탭(양극), 구리탭(음극)을 붙인 젤리롤을 원통형 배터리 캔 안에 넣어준다. 이 과정에서 양극 탭은 갈고리 모양으로 가공하고, 음극 탭은 직각으로 가공한다. 그다음 캔에 붙도록 용접을하고 비딩으로 캔 속의 젤리롤을 고정시켜 준다.
- 위 와인딩 공정은 제조 비용이 저렴하고, 공정 속도가 빠르다는 장점이 있다. 하지만, 충방전이 반복되면 제리롤의 형태가 변형될 수 있고 캔과 젤리롤 사이의 빈 공간이 생겨 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
스태킹/폴딩 공정(Stacking, Folding)
- 위 공정은 음극, 분리판, 양극을 차곡차곡 쌓는 방식으로, 셀 수십개를 쌓아 올려 하나의 배터리를 완성하는 방식이다. 이 기술은 내부 공간 효율을 극대화함으로써 배터리의 용량을 늘릴 수있다. 이는 에너지 밀도가 낮은 원통형, 각형 배터리의 단점을 없앤다. 또한 충반전을 거듭하면 뒤틀림이 발생해 배터리가 부풀어 오르는 와인딩 방식의 배터리와 비교해 내구성이 뛰어나다. 하지만, 배터리 구성 셀을 일일히 쌓아 올려야 하기에 재단 부터 쌓는 작업까지 과정이 오래 걸리고 자동화 또한 쉽지 않아 생산율이 떨어진다.
탭 웰딩 공정(Tab Welding)
- 완성된 전지 형태의 양극과 음극 무지부에 각각 알루미늄과 구리로 된 탭을 접합하는 공정이다. 이는 적층된 다수의 단판극판으로부터 흘러나오는 전류를 한 곳으로 모으기 위한 공정이다. 초기에는 초음파를 사용하였으나 최근에는 레이저를 사용하여 용접 접합하는 방법을 채택중이다.
패키징 공정(Packaging)
- 웰딩 공정까지 끝난 배터리를 각각의 형태의 케이스에 넣고 전해액을 주입하여 전극의 기공에 전해액이 스며들게 하고, 주입이 끝나면 밀봉을 하는 공저을 패키징 공정이라 한다. 파우치 형의 경우 추가로 가스를 빼주는 디개싱(Degassing) 공정을 진행한다. 원통형과 각형의 경우에는 알루미늄의 메탈 케이스에 전지를 넣은 후에 밀봉한 후 전해액을 주입하며, 파우치형의 경우 알루미늄 필름 파우치에 먼저 전그을 넣은 후에 케이스에 넣고, 전해액을 주입한 후 1차 충방전하면 내부에 가스가 생기는데 이러 제거하는 디개싱 작업을 거친 후 최종 밀봉을 한다.
활성화 공정
조립공정을 거친 배터리를 전기에너지로 활성화 시키고, 결함 및 안전성을 확인하는 단계이다. 이 단계는 에이징과 충,방전을 반복하며 진행한다. 이 공정은 전체 공정의 약 29%를 차지한다. 이 공정의 핵심은 고용량 배터리를 신속하게 충전, 검사하여 신뢰성을 높이는데 있다.
활성화 공정은 포메이션공정, 에이징공정, IR/OCV공정, Grading 및 Seleting 공정으로 나누어진다.
포메이션공정 (Formation)
- 이 공정은 셀을 활성화시켜 전기적 에너지 특성을 부여하는 공정이며 활성화 공정의 80%나 되는 비요을 차지할 만큼 메인이다. 이 과정에는 2차 전지의 리튬과 전해액이 화학적으로 반응하여 음극에 고체전해중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 층이 형성된다. 이층은 리튬이온이 전해액을 통해 음극으로 이동하고, 전해액 속 물질이 전기 분해되면서 음극 표면에 얇은 고체막을 형성한다. 이 막은 전해액과리튬의 직접적인 접촉을 막아 리튬 금속의 부식을 방지하는 역할을 한다. 하지만, 이층이 불균일 하거나 국부적으로 쌓이게 되면 SEI가 지속적으로 발생하게 되고, 이는 충전속도와 배터리 용량을 낮추는 문제를 야기시킨다. 즉, SEI 층은 배터리 수명과 성능에 영향을 미치는 중요한 요소라 할수있다. 따라서 포메이션공정은 전압과 전류를 정밀하게 제어하는 기술, 빠르고 안정적인 충방전을 수행하는 기술, 방전시 에너지를 재사용하여 에너지 효율을 높이는 기술이 들어간다.
에이징(Aging)
- 배터리에 주입된 전해질이 양극과 음극에 잘 스며들어야한다. 이를 위해 배터리에 전해액을 주입후 30~3시간 가량을 상온에서 보관한다. 이렇게 일정 온도와 습도에서 배터리를 보관하는 과정을 '에이징'이라 한다. 이때 전해액이 배터리 내부에 고르게 분산되어 배터리의 양극과 음극 간에 이온의 이동이 원할하게 될수 있도록 만들어준다. 이를통해 SEI층을 안정화 시키고, 자연 방전 특성을 측정해 불량품을 선별하기도 한다. 아까 말한데로 장기간 보관하는 부분이 공정 기간을 길게 만들고 그에 따른 보관장소가 필요하는등 비용증가로 이어지기 때문에 Aging 기간을 단축시키는 기술개발이 진행되고 있다.
IR/OCV공정(Internal Resistance, Open Circuit Voltage)
- 주파수 및 전류에 따른 배터리의 내부저항(IR) 분석, 개방회로전압(OCV) 측정 등을 통해 배터리의 품질을 평가하는 공정으로 포메이션 및 에이징 공정 중간에 여러번 진행된다.
IR: 외부에서 인가되는 전류에 의해 배터리의 전압을 상승시키거나 하락시켜 충,방전 효율에 영향을 준다. 이건 IR이 작을수록 배터리의 성능이 좋다는 것을 알수있다.
OCV: 배터리 방전 시 양음극 간 미세단락 여부를 확인하기 위해 사용된다. 미세단락 발생 시, 배터리의 개방전압이 변하게 되는데, 이를 알기위해 OCV공정을 통해 확인하는데, 변화량이 작아 측정을 위해서 방전시간이 길어진다. 그렇기에 OCV측정기의 정확도와 정밀도가 좋을수록 방전 시간을 줄여 공정 효율을 높일 수 있다.
Grading 및 Seleting 공정
- 포메이션, 에이징, IR/OCV 공정을 거쳐온 데이터들을 통해 배터리의 불량을 판정하고, 품질별로 등급을 분류하는 공정이다. 그전에 디개싱(Degassing) 공정을 진행하는데 에이징과 충전을 진행하다보면 배터리 내부에 가스가 생길 수 있기 때문이다. 그래서 디개싱을 통해 가스를 제거한 후, Grading 및 Seleting 공정을 진행한다. 그리고 마지막 출하 직전 0.1~1C(Crate)로 방전시키면 활성화 공정이 모두 마무리 된다.
팩공정
팩 공정은 제조된 배터리 셀을 모듈화하여 팩에 넣는 과정이다. 배터리를 전기차에 탑재할 때는 모델에 맞게 모듈화 시켜야 하기 때문이다. 또한 원통형, 각형, 파우치형등 요구에 맞게 패키징을 해야한다.
배터리셀 연결
- 활성화 공정이 끝난 배터리 셀 표면의 이물질을 제거한 후 여러 개의 셀을 Cell to Cell의 형태로 연결한다.
모듈화
- 연결한 셀들을 접착제를 도포한 모듈 케이스에 고정시킨다. 이 고정된 여러 개의 셀을 와이어링 하네스 또는 버스 바로 묶은 후 모듈 상부 커버를 씌워 조립하면 모듈이 완성된다.
팩 조립
- 배터리 팩에 모듈 여러 개를 넣고 모듈 to 모듈로 연결하면 하나의 팩으로 완성된다. 이렇게 완성된 배터리 팩이 다양한 곳에 탑재되는 것이다.
패키징방식
각형배터리
- 사각형 틀을 이용하여 패키징한 형태. 주로 삼성SDI와 중국 CATL의 주력 품목. 알루미늄 캔으로 만들어 내구성이 좋고 모양이 좋아 팩조립에 유리하며, 공정단계가 파우치형보다 간소해 비용이 절감된다. 다만 무게가 많이 나가며, 열 방출이 어려워 따로 냉각장치가 필요하다. 또한, 파우치형보다 에너지 밀도가 낮다.
파우치형배터리
- 배터리 소재를 층층히 쌓고 그대로 패키징하는 방식으로 내부 빈 공간이 없어 에너지 밀도가 높다. LG화학과 SK이노베이션에서 주력으로 제작하는 방식이다. 각형과 원통형에 비해 설계 자유도가 높아서 전기차 업체의 다양한 요구사항에 대응이 가능하다. 알루미늄 파우치로 패키징하며 무게가 가볍다. 또한 에너지를 장기간 안정적으로 낼 수있다. 하지만, 각형과 원통형에 비해 생산 단가가 비싸다.
원통형배터리
- 흔이 볼수있는 형태이며, 각형, 파우치형과 달리 표준화 되어있다. 가장싸고 수급 안정성이 돋보인다. 하지만 각형과 마찬가지로 에너지 밀도가 낮다. 파나소닉에서 주력으로 만들고 있으며, 테슬라에서 많이 사용하고 있다.
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