배터리 제조 공정 : 두 번째 단계 '조립 공정' 알아보기

오늘은 배터리 제조 공정 중에서 두 번째 단계인 '조립 공정'에 대해 알아보도록 하겠습니다. 조립공정은 전극 공정에서 얻은 양극판과 음극판을 분리막, 전해질과 조립하는 공정이라고 보시면 됩니다.

 

조립 공정은 배터리의 형태(파우치형, 원통형, 각형)에 따라 극판을 쌓는 방법과 전해질을 주입하고 밀봉하는 순서가 달라집니다. 또한 제조사마다 적용하는 기술에도 차이가 있어 조립 공정의 고유한 특성을 만들어냅니다.

 

배터리 제조공정 - 조립공정 (출처: LG에너지솔루션)

 

스태킹 방식

먼저 파우치 배터리에 사용되는 스태킹 방식에 대해 설명드리겠습니다. 이 방식은 이름에서 알 수 있듯이 여러 층을 쌓는 방식입니다.

 

배터리 스태킹, 와인딩 종류 (출처: SWIR)

 

먼저 배터리를 넣을 파우치 케이스를 만들어야 합니다. 파우치 케이스는 여러 레이어로 되어 있는 파우치 필름을 프레스를 이용하여 납작하게 만들며, 배터리 재료가 들어가는 전극 포켓과 전해질을 넣고 가스를 저장할 수 있는 공기 포켓으로 구성되어 있습니다.

 

그다음,파우치 케이스 내 전극 포켓에 양극, 분리막, 음극을 번갈아 가며 쌓아 배터리 셀을 만듭니다. 전극 포켓을 가득 채우면 공기 포켓을 통해 전해질을 주입하고 밀봉하는데 이 과정에서 생성되는 가스는 다시 공기 포켓에 모아집니다.

 

마지막으로 디개싱(Degassing)이라는 과정을 거쳐 불필요한 가스를 담고 있는 공기 포켓을 절단하고 배터리의 부피를 줄여 에너지 밀도를 높입니다. 디개싱 공정을 거치고 나면, 파우치 배터리 조립이 완료됩니다.

 

스태킹 방식은 생산 공정이 복잡하여 와인딩 방식에 비해서 생산 속도가 느리며 비용이 높다는 단점이 있으나, 배터리 셀을 빈틈없이 채워 에너지 밀도가 높고 다양한 디자인으로 생산이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

Z 스태킹 공법 (출처: SK이노베이션)

 

최근에는 배터리 기업들이 Z스태킹 공법에 집중하고 있습니다. Z스태킹 공법은 일반 스태킹 공법의 분리막 정렬 구조로 인한 화재 위험성을 방지하기 위해 분리막을 자르지 않고 Z 형태 사이사이에 양극과 음극을 번갈아 쌓는 방식입니다. 해당 구조에서는 양 전극의 접촉이 더욱 어려워져 화재 안전성이 높아집니다. 다만, 아직 수율 및 생산성 문제가 남아 있는 상태입니다.

 

와인딩 방식

다음으로 원통형 및 각형 배터리에서 사용되는 와인딩 방식을 살펴보겠습니다. 

 

와인딩 방식 (출처: LG에너지솔루션)

 

와인딩 과정에서는 전극 공정이 완료된 양극과 음극을 와인더라는 기계를 이용해 맨드릴(휴지심과 같은 역할)에 굵게 감습니다. 이 과정에서 휴지롤을 감듯이 맨드릴에 감아 적절한 크기로 잘라 젤리롤 모양으로 만듭니다.

 

이렇게 만들어진 젤리롤을 원통형 배터리 캔에 넣게 되는데, 이때 알루미늄 탭과 구리 탭을 양극과 음극의 무지부에 부착합니다. 그리고 비딩(Beading) 과정을 통해 젤리롤을 캔 안에 고정시킵니다.

 

비딩(Beading) 이란?

배터리 캔 안에 배치된 젤리롤 형태의 전극과 분리막 조합을 안정적으로 고정하기 위해 젤리롤에 약간의 압력을 가해 이를 캔 안벽에 잘 고정시킵니다. 이렇게 함으로써 배터리가 충전과 방전 과정에서 물리적인 충격이나 변화에 대해 안정성을 유지하게 해 주며, 배터리 성능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

비딩이 완료되면 전해액 주입 과정이 시작됩니다. 캔 내부를 먼저 진공 상태로 만들고, 노즐을 이용해 전해액을 주입한 후, 압력을 가해 전극의 기공을 통해 전해액이 스며들게 합니다. 전해액 주입이 끝나면 크림핑(Crimping) 과정을 통해 상단 캡과 캔을 밀봉합니다.

 

크림핑(Crimping) 이란?

배터리의 상단 캡과 캔을 밀봉하는 작업으로, 전해액이 배터리 캔 밖으로 새나가지 않도록 하며, 배터리 내부를 보호하는 역할을 합니다.

 

마지막으로, 배터리의 전극 쇼트를 방지하기 위해 절연 튜브를 씌우면 원통형/각형 배터리의 조립 공정이 완료됩니다.

 

와인딩, 스태킹 방식 차이(출처: Bonnen Battery)

 

와인딩 방식은 생산 공정이 간단해서 대량 생산이 용이한 장점이 있으나, 위 사진과 같이 배터리 내부 공간을 효율적으로 활용하지 못하여 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있습니다.

 

이렇게 조립 공정이 마무리되면 배터리를 활성화시키는 화성 공정으로 넘어가게 됩니다. 다음 글에서는 배터리 제조 공정의 세 번째 단계인 화성 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

[산업 분석/배터리 산업] - 배터리 제조 공정 : 첫 번째 단계 '전극 공정' 알아보기

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