리튬이온배터리의 제조 공정은 <전극 공정 → 조립 공정 → 활성화 공정 → 팩 공정>으로 이르는 4개의 큰 STEP으로 이루어져 있습니다. 그 안에는 고도의 공정 기술들이 집약되어 있는데요. 배터리 탄생 과정의 흐름을 일목요연하게 파악할 수 있도록 한 컷에 담아보았습니다.
▶STEP1. 전극 공정 – 배터리의 양극과 음극 만들기
① 믹싱 공정 : 배터리 소재의 기초가 되는 양극, 음극 활물질과 용매 등을 섞어 중간재인 슬러리를 만듭니다. 이때 활물질 입자 간 접착력을 높이는 ‘바인더’와 활물질 사이에서 전자의 이동을 담당하는 ‘도전재’도 함께 넣습니다.
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② 코팅 공정 : 완성된 양극 슬러리를 알루미늄 포일에, 음극 슬러리를 구리 포일에 얇게 코팅합니다. 바인더를 전극에 골고루 배치해 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다. LG에너지솔루션은 슬러리를 집전체에 동시 코팅하는 더블 레이어 코팅(DLD, Double Layer Slot Die Coating)을 업계 최초로 도입했습니다.
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③ 롤 프레싱 공정 : 코팅이 완료되면, 두 개의 커다란 압연 사이로 전극을 통과시켜 일정하고 편평하게 펴줍니다. 이때, 전극 표면은 활물질과의 결합력이 좋아지고 리튬 이온이 원활히 이동할 수 있어 전지의 출력과 성능을 향상시킵니다.
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④ 슬리팅과 노칭 공정 : 납작해진 전극들을 설계된 배터리 규격에 맞춰 절단합니다. 슬리팅 공정을 통해 전극 폭을 세로 방향으로 잘라내고, 노칭 공정에서 전극을 가로로 재단하여 V자 홈과 양극·음극 탭(Tab)을 만들어주면 전극 공정이 완료됩니다.
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▶STEP2. 조립 공정 – 배터리 형태 만들기 (파우치/원통형)
조립 공정은 우리가 흔히 알고 있는 배터리의 모양을 갖추는 단계입니다. 조립 공정은 배터리 형태별(원통형, 파우치형, 각형)로 제조 순서가 다르며, 제조사마다 적용하는 기술도 차이가 있습니다.
파우치 배터리: 먼저 7개 레이어의 파우치 필름을 압착해 파우치 케이스를 만들어 줍니다. 이 과정에서 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성된 소재를 넣을 전극 포켓과, 전해질을 주입하고 가스를 보관하는 공기 포켓을 제조합니다. ‘라미네이션&스태킹’ 공법으로 소재를 층층이 쌓아 전극 포켓에 넣고 공기 포켓을 통해 전극 포켓의 기공까지 전해질을 주입합니다.
*파우치 배터리 조립 공정에 대해 더 알아보기 (1편)
*파우치 배터리 조립 공정에 대해 더 알아보기 (2편)
원통형 배터리: 양극과 음극, 분리막을 마치 휴지를 감듯 ‘와인딩’ 방식으로 돌돌 말아줍니다. 양극 무지부에 알루미늄 탭을, 음극 무지부에 구리 탭을 붙인 젤리롤을 만들어 원통형 배터리 캔 안에 넣습니다. 캔 속의 젤리롤을 고정시키고 전해액을 주입합니다. 조립이 끝난 뒤 전극의 쇼트 방지를 위해 절연 튜브를 씌워 양극과 음극을 구분시키면 원통형 배터리의 모습을 갖춥니다.
*원통형 배터리 조립 공정에 대해 더 알아보기
▶STEP3. 활성화 공정 – 전기 에너지 활성화 및 안정화 시키기
전기 에너지를 활성화시키고 안정성을 확인하는 활성화 공정에 돌입합니다. 이 과정은 에이징과 충·방전을 반복하며 진행합니다. 먼저, ‘에이징’을 통해 전해질이 양극과 음극에 스며들도록 상온에 보관합니다. 전해액이 배터리 내부에 분산되고 양극-음극 간 이온 이동이 원활해지면, 배터리를 일부 충전해 줍니다.
(*활성화 공정은 제조사마다 진행 순서가 다름)
파우치 배터리의 경우 에이징과 충·방전을 반복하면 내부에 가스가 생길 수 있는데, ‘디개싱’ 공정을 통해 1차 충전 중 전해액 부반응으로 발생한 가스를 제거합니다. 디개싱 이후 에이징과 충·방전 과정을 반복하여 배터리의 성능(용량, 저항)을 체크하고, 일정 기간 보관 후 OCV(Open-Circuit Voltage) 측정을 통해 저전압을 선별합니다. 그리고 마지막 EOL(End of Line) 공정에서 불량 배터리를 선별합니다.
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▶STEP4. 팩 공정 – 사용 모델에 맞게 모듈화 시키기
팩 공정은 제조된 배터리 셀을 모듈화하여 팩에 넣는 과정입니다. 배터리를 전기차에 탑재할 때는 모델에 맞게 모듈화 시켜야 하는데요. 먼저, 배터리 셀 여러 개를 Cell To Cell의 형태로 만들어 모듈 케이스에 고정시킵니다. 이후 셀들을 연결시키고 모듈 상부 커버를 조립하여 모듈을 완성합니다. 마지막으로, 배터리 팩에 완성된 모듈을 넣고 Module To Module로 연결하면 팩이 완성됩니다.
*팩 공정에 대해 더 알아보기
한눈에 빠르고 간결하게 살펴본 배터리 제조 공정. 각 단계 속에는 더 디테일한 과정들이 숨어있습니다. 다음 시간에는, STEP별 주요 공정과 특징적인 기술을 인포그래픽을 통해 알아보겠습니다.