배터리 제조 공정 : 세 번째 단계 '화성 공정' 알아보기

조립 공정이 마무리되면 전기 에너지로 배터리를 활성화시키고 안전성을 확인할 수 있는 화성 공정에 돌입합니다. 화성 공정 또는 활성화 공정은 배터리의 성능과 수명에 결정적인 영향을 미치는 요소들을 다루기 때문에 꼼꼼한 관리와 검증이 필요합니다.

 

화성 공정은 대규모 자동화 공정에 의해 이뤄지며, 주로 에이징과 충방전을 반복하는 과정으로 구성됩니다. 배터리는 여러 화학적 반응을 거쳐 에너지를 생성하고 저장하는데, 이때 효율적인 에너지 전송을 위해서는 배터리 내부의 모든 부분에서 화학반응이 원활하게 이루어져야 합니다.

 

배터리 제조공정 - 화성(활성화) 공정 (출처: LG에너지솔루션)

 

에이징

 

첫 번째 단계는 에이징입니다. 배터리의 양극과 음극 사이에서 이루어지는 화학 반응을 원활하게 하기 위해서는 조립 공정에서 배터리에 주입된 전해질이 양극과 음극에 고르게 스며들어야 합니다. 이를 위해 배터리는 일정 온도에서 30분에서 3시간 동안 보관됩니다.

 

배터리 화성공정 프로세스 (출처: Chroma)

 

배터리 충방전 (feat. SEI)

 

에이징 후에는 부분적으로 배터리를 충전합니다. 이 과정에서 리튬 이온은 모두 음극으로 이동하며, 전해질이 분해되어 'SEI' (Solid Electrolyte Interphase)라는 보호막을 형성합니다. SEI는 전자의 이동을 막아 배터리의 안전성을 높이며, 리튬 이온의 이동을 허용해 배터리 성능과 수명을 결정합니다.

 

배터리 화성공정 - 충방전 과정 (출처: LG에너지솔루션)

 

중요 포인트

'SEI' 층의 안전성을 높이고 균일하게 형성하는 것은 매우 중요합니다. SEI는 배터리가 최초로 충전되는 과정에서 음극과 전해질 사이에 생기는 얇은 보호막으로 리튬 이온만 통과하고 전자는 통과하지 못하도록 막아주는 역할을 합니다. 또한, 음극 표면에서 추가적인 화학 반응으로 전해질이 분해되는 것을 막아줍니다. 전해질이 분해되면 이동할 수 있는 리튬 이온의 양이 줄어 배터리의 성능이 저하됩니다.
만약 SEI가 잘 형성되지 않는다면, 아래 그림과 같이 리튬 덴드라이트(Lithium Dendrite)가 생성이 되어 배터리 충전 용량을 줄이고 효율을 저하시킵니다. 그리고 계속 쌓이다 보면 양극에 도달하여 단락(Short Circuit)을 일으켜 화재나 폭발까지 유발할 수 있습니다.

리튬 덴드라이트 형성 과정

 

충전된 배터리는 고온의 환경(40~70℃)에서 다시 에이징 과정을 거칩니다. 이 과정은 SEI 층의 안정성을 높이고 균일한 두께를 형성하도록 돕습니다.

 

하지만, 배터리를 충전하고 에이징하면서 내부에 가스가 발생할 수 있습니다. 가스는 배터리의 성능과 수명에 부정적인 영향을 미치므로 디개싱 과정을 통하여 제거됩니다.

 

디개싱 후에는 에이징과 충전 과정을 두 번 정도 더 반복합니다. 이런 과정을 통해 배터리의 성능과 안전성이 보장됩니다. 그 후, 배터리의 충전 용량을 테스트하고 불량 배터리를 선별하는 과정을 거칩니다.

 

마지막으로, 배터리 출하 직전에 0.1~1C의 전류로 방전시켜 배터리의 최종 성능을 검증합니다.

C-rate (C) 란?

C-rate는 배터리의 충전 또는 방전 속도를 표현하는 단위입니다. 보다 구체적으로, C-rate는 배터리의 전체 용량에 대한 충전 또는 방전 속도의 비율을 나타냅니다.
예를 들어, 배터리의 C-rate가 1C라는 것은 배터리의 전체 용량을 1시간 안에 충전하거나 방전할 수 있음을 의미합니다. 반대로, C-rate가 0.5C라는 것은 배터리의 전체 용량을 2시간 동안 충전하거나 방전할 수 있음을 의미합니다.

 

이렇게 배터리 제조의 세 번째 단계인 활성화 공정이 마무리되고, 마지막 단계인 모듈/팩 공정으로 넘어가게 됩니다.

 

 

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