2차 전지 제조 공정 알아보기

전지의 제조 공정에 대해 단계별로 핵심만 간단히 알아보도록 하겠습니다. 

전지의 제조 공정은 크게 4가지로 구분됩니다. 그중 3가지는 셀을 형성하는 프로세스이고, 나머지 한 가지는 형성된 셀을 모아서 만드는 배터리 셀 공정입니다. 아래에서 자세히 다루어 보겠습니다.

 

목차

 

전지 제조 공정 

전극제조 (1단계)

코팅 공정  

 믹싱

 양극 및 인조 흑연의 바인더는 PVDF (용매 NMP) 섞어서 용액을 제조함. 

 활물질 도전제 (양극) 넣고 코팅 슬러리 만들게 됩니다.

12시간 정도 믹싱 후 2시간 진공탈포로 가스제거하여 불량률 제어  (점도가 중요함)

 

 * 천연 흑연? 

  SBR 바인더 + 계면활성제 + 물 = 수계바인더 (공정 난이도가 더 높음).

 

코팅 

코팅헤드/건조부/구동부로 나뉨 (알루미늄박, 동박 위에 코팅 = 양면 코팅)

 코팅 방식 : 슬릿 다이 (압력을 줌, 빠르다) 

 건조 방식 : 충돌 포집 방식

 코팅 종류 : 간헐 코팅 ( 작은 원통형 전지에 주로 사용) 스트립코팅 ( 중대형 원통형, 파우치 전지) 

                  = 자동차용 전지는 스트립 코팅!

간헐 코팅이 더 어렵다. 

코팅 품질 목표 : 코팅 두께를 균일하게, 바인더를 균일하게 분포 (분진 안 날려야 함) 

품질 목표 달성:  슬롯 다이 설계 기술력이 필요 (전지업체) 

                          건조부의 온도, 건조 공기 분사 속도, 코팅 속도 제어 

                          건조부를 빠져나온 전극의 두께를 감지하여 피드백함 (장비업체의 역할) 

코팅 공정에서 결정되는 변수

  전극의 두께 : 로딩량  (전극의 단위 면적 당 용량)

  NP 비율 : 음극과 양극 용량의 비율. 1.12보다 낮으면 위험 (발화사고 등)

                   NP 비율이 낮으면 전지의 용량을 높일 수 있음. 그러나 안전을 위해 설계 규정이 필요.  

 

롤 프레싱

부피를 줄이는 프레싱 (금속과는 다름) 

밀도가 올라가 용량이 증가함. (수명 저하 및 안전성 악화)

전극과 집전체의 결착력 강화 효과도 있음 

 ( 갤럭시 노트 7 : 합제 밀도를 너무 높여 발생한 이슈 ) 

 

슬리팅

 전극을 롤 방향을 여러 개로 자르는 공정 (점보롤 생성)

 

진공 건조

 전극에 흡수된 수분을 제거 ( 물의 증발 온도 이상에서 12시간 이상 건조)

 양극 : 320ppm, 음극 200ppm 이하  ( 양극, 음극 : 별도의 장비에서 제조)

LG에너지솔루션 - 배터리인사이드

전지조립 (원통형, 각형, 파우치 등)

파우치 형태

리튬 이온전지에만 존재 (1997년 소니 개발, SK, LG가 상업화 큰 역할) 

다품종 소량 생산에 적합한 방식 ( 대량생산에서 완성도가 떨어짐)

파우치 성형 : 금형에서 프레스로 파우치 케이스를 성형

    전극 포켓 + 공기 포켓, 최대 두께 6~8mm

    파우치 필름 = 알루미늄 박 ( 폴리이미드 + 접착제+ 표면 처리층 + 알루미늄박+ CPP) 소형전지 

                          중대형 전지는 접착제 + PDT 필름 + 소형전지 알루미늄 박 

 

LG 에너지솔루션 파우치 배터리

 

적층과 폴딩 

1.  양극과 음극을 번갈아 가며 적층하고 분리막으로 감아 젤리롤 제조

2.  여러 장의 양극, 음극 탭을 초음파 용접으로 합체

3.  이걸 다시 니켈 탭으로 용접 (외부에 드러나는 탭)

4.  젤리롤을 전극 포켓에 넣고, 실링함

5.  전해액 주입 ( 롤링을 밀어 넣음)  / 디개싱 공정으로 가스 제거 / 밀봉 

 

 

원통형 = 와인딩

 가장 기본적인 조립법.

 1. 와인딩으로 젤리롤을 제조 ( 전극롤 > 점보롤 > 젤리롤) 

 2. 양극, 음극과 분리막 2장을 맨드릴에 감음 (실패 같은 곳) 

젤리롤 형성 모식도

 3. 전지 1개의 길이로 자른 후 무지부에 양과 음극탭을 용접함

    (초음파 용접, 금속을 녹이지 않음) 

 4. 젤리롤을 캔에 넣고 음극 탭과 캔 바닥 (-), 양극탭과 상단캡을 용접(+), 저항용접 사용

전해액 주입 (진공 주액  가압법 : 리튬 전지, 밀도가 높아서)

5. 캔과 상단캡을 크림핑으로 밀봉. (통조림) 

6. 절연 (열수축 튜브)로 몸통을 절연함. (그래서 바닥은 음극, 상단은 양극이 됨) 

 

완성된 원통형 배터리

각형 = 스태킹 

리튬 이온전지는 각형 원통형 구분 없이 와인딩을 함 ( 원통형 전지와 유사) 

각형 전지 역시 와인딩을 함 ( 원통보다 속도가 느림, 절반) 

캔이 + 머리가 - 인 점이 원통과의 차이를 가짐

원통형 로우 카본 스틸

각형은 알루미늄 통을 사용함. (갈바닉 부식 방지)

 

각형은 밀봉 후 전해액을 주입함.

(레이저 용접으로 밀봉하기 때문) 

전해액 주입 (진공, 주액, 가압) 후 밀봉할 경우 불날 수 있음....

금속 볼로 전해액 주입구를 막아 완전히 밀봉하게 됨..

 

화성 

공정 목적 : 포메이션, 에이징, 불량 선별

포메이션

방전 상태로 제조된 전지를 1차 충전으로 활성화

흑연 음극과 전해액이 반응하여 음극 표면에 이온전도성 피막이 형성되면서 가스가 발생함. 

 

에이징

전해액 채널을 안정시키는 공정 (전해액이 기공에서 빠져나오지 않게 함)

 

불량 선별

리튬 이온 전지에만 있는 공정 (얇은 전극과 분리막으로 구성되어 있기 때문) 

출하 후 금속 이물로 문제를 일으킬 가능성을 낮추는 과정 

자격 부여 기간

불량 선별에 필요한 기간 

리튬 이온전지에서 금속 이물 

동 : 슬리팅 공정, 동박

니켈 : 비딩공정, 캔

철 : 공정 장비 

알루미늄과 스테인리스는 이물로 취급하지 않음

전기 화학관점에서 세라믹으로 분류됨. 

 

불량 선별 방법

같은 금속끼리 확산하여 커지면서 저항, 전압에 영향을 줌. 

전압, 저항을 측정하여 불량 전지 선별 

 

확산 완료 시간

동 1~3일

니켈 7일

철 14일 

철의 2배 28일을 양품 자격 부여 기간으로 정함

( 따라서 최소 28일이 필요함) 

 

배터리팩

휴대폰 1셀 (전지 1개 보호회로)

노트북 (12개, 보호회로, Fuel 게이지)

전기차 최소 96개, 보호회로, BMS로 구성

 

전기차용 배터리 팩

1990년대 일본에서 개발 셀투팩 설계 채용

전지 회사에서 배터리팩의 형태로 자동차 회사에 공급

팩 속의 온도가 50도가 되면 냉각팬이 돌면서 공기로 쿨링

냉각되지 않으면 전지 중심부가 140도까지 상승 (수랭, 유랭으로 돌아서게 된 계기) 

최근 다시 공랭으로 회귀 ( CATL, BYD 등, 제조 비용 절감, 전지 생산 주도권 확보 등)

 

* 자동차 회사 : 전지에 대한 지식 향상, 전지 셀을 받아 배터리팩을 만드는 모듈식 설계로 바뀜. 

                        모듈을 모아 팩의 형태로 만듦 (수랭, 유랭)

 

BMS (Battery Management System)

 1990년대 일본의 도요타, 산요, 파나소닉이 개발한 고급 기술

 2000대 중반까지 접근이 어려운 기술 

 국내 SK, LG가 기술에 많은 투자를 함, 삼성은 상대적으로 기술력이 낮음 ( 삼성은 셀만...)

  ~2010년에 범용화 됨

 

 기능  

 1.  배터리 잔존 용량 측정 ( 테이블 방식, 수학적 방식)

 2.  전지밸런싱 : 충전 중 강제 방전 ( 리튬 이온 전지는 충방전을 거듭하면 용량의 편차가 심화됨, 따라서 용량 높은 셀을 3. 강제로 방전시켜 균형을 유지하게 함)

3. 보호회로 : 과충전, 과방전, 과전류 (전기차용 전지 화재 위험 높음, 용량 때문)

4. 본체와 통신

5. 온도 관리, 사고 방지, 진단과 경보 

 

 

전기차와 2차 전지 배터리 종류

 

2차 전지 간단하게 핵심만

 

2차 전지는 어떻게 진화하게 될까?