배터리 전극 공정(믹싱,코팅,롤 프레싱,슬리팅,노칭)

안녕하세요, 이번 시간은 배터리의 제조 순서를 알아보는 첫번째 시간입니다.

배터리 제조에 대하여 말씀드릴 부분이 많아 크게 배터리의 4대공정 Step으로 소개 드리고자합니다.

“4대 공정 : 전극 공정 → 조립 공정 → 활성화 공정 → 팩 공정”

각 공정마다 여러 단계를 거쳐 각 공정을 마무리하게 됩니다. 이번 포스팅에서는 이 중 가정 첫 번째 단계인 ‘전극 공정’에 대하여 살펴보겠습니다.


전극 공정이란?

‘전극 공정’은 극판을 만드는, 즉 양극과 음극을 만드는 공정입니다. 배터리 제조 과정에서 가장 기초 단계인 핵심이 되는 단계입니다.

전극 공정은 다섯 가지 세부 공정들로 이루어집니다.

전극 공정 단계1
[출처 : 배터리 인사이드]

1. 믹싱 공정(혼합 공정)

믹싱 공정은 양극과 음극의 제조에 필요한 각종 원자재들을 계량하여 투입하고 혼합하는 과정입니다. 이어서, 배터리 소재의 기초가 되는 활물질과 용매들을 골고루 섞어 슬러리를 만듭니다.

* 슬러리 = 액체와 고체의 혼합물. 미세한 고체입자가 물 속에 현탁된 현탄액 등. 

믹싱 공정은 말 그대로 양극 활물질과 음극 활물질을 섞는 과정입니다.

활물질을 섞을 때는 밀가루 반죽기와 흡사한 플래니터리 밀(Planetary Mill)이라는 기계를 사용합니다.

플레니터리밀
[출처 : 배터리 인사이드]

그리고 이렇게 혼합이 되는 활물질의 입자 간 접착력을 높이기 위해 ‘바인더’ 역할을 해줄 물질이 필요합니다.

바인더는 양극 음극이 전해질의 접촉과 산화,환원 반응등이 일어나도 접착력이 고정될 수 있는 안정적인 특성이 있어야 합니다.

활물질을 바인더로 고정 시키더라도 원자의 모양이 모든 공간을 메울 수 없어 빈공간이 생기게 되는데요, 그 부분은 도전재를 추가하여 채우게 됩니다.

활물질 도전재
[출처 : 배터리 인사이드]

여기까지 내용을 보시면 활물질,바인더,도전재등이 혼합되게 되는데 활물질의 양이 많으면 많을수록 전지의 에너지 밀도가 올라가는 것을 알 수 있을 겁니다.

그래서 최근에는 활물질 함량을 높이고 바인더 함량을 줄일 수 있는 바인더를 많이 연구 중입니다.


2. 코팅 공정

믹싱 공정에서 만들어진 슬러리는 코터기(코팅 기계)를 통해 구리 호일 또는 알루미늄 호일에 전극을 얇게 코팅하는 과정입니다. 그리고 코팅된 전극들을 100도 이상의 오븐에 건조합니다.

양극과 음극 코팅
[출처 : 배터리 인사이드]

양극 슬러리는 알리미늄 포일에, 음극 슬러리는 구리 포일에 각각 최대한 얇고 고르게 코팅을 합니다. 배터리의 성능과 수명을 향상시키기 위해서는 일정하고 균일한 코팅 기술이 필요합니다.

코팅 공정은 전체 배터리 제조 공정에서 약 18%를 차지합니다. 즉 전지 설계 대부분의 변수를 결정할 만큼 아주 중요한 공정이라고 할 수 있습니다.

그리고 코팅 공정에서는 배터리의 성능과 안정성을 결정하는 ‘N/P 비율’ 이라는 아주 중요한 요소가 있습니다.

N/P 비율 = 음극 총용량 / 양극 총용량

1) N/P 비율이 낮아지면 배터리 용량이 커지지만, 안정성이 낮아집니다.

2) N/P 비율이 높아지면 배터리 수명은 늘어나지만 비용이 증가하게 됩니다.

이렇게 한 쪽면의 코팅이 완료되면 100℃ 이상의 오븐에서 건조시킨 후 다시 반대편에서 코팅 공정을 반복하게 되는겁니다.

하지만 한국의 ‘LG에너지솔루션’에서는 전극 슬러리를 집전체 양면에 동시에 코팅하는 ‘DLD’ 라는 기술을 개발해 사용 중이라고 합니다.


3. 롤 프레싱(Roll Pressing) 공정

코팅과 건조가 완료된 전극을 커다란 압연(Rolling) 사이로 전극을 통과시켜 납작하게 압축을 합니다. 여기서 이 극판들이 나중 ‘조립 공정’에서 쌓이거나 돌돌 말리는 구조이기 때문에 전극이 납작할수록 에너지 밀도가 올라가게됩니다.

롤 프레싱
[출처 : 배터리 인사이드]

롤 프레싱은 두개의 롤 사이로 코팅 공정을 거친 전극을 통과시켜 일정하고 편평하게 펴주는 과정으로 ‘압연 공정’이라고도 합니다.

롤 프레싱 공정은 배터리 전극의 밀도와 성능, 그리고 표면의 품질을 결정하는 중요한 단계입니다. 커다란 롤이 전극 위로 굴러가면서 전극을 얇고 편평하게 만들어 밀도를 향상시켜주는데요. 이때, 전극 표면은 활물질과의 결합력이 더욱 좋아지게 되고, 전극과 잘 결합된 활물질 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동하면서,전지의 출력과 성능이 결정되는 것입니다.

롤 프레싱 공정에서 전극의 밀도를 결정하는 ‘합제 밀도’ 라는 중요한 설정 요소가 있습니다. 여기서 합제란 활물질과 도전재, 바인더가 혼합된 슬러리를 말하고, 합제 밀도는 이 합제 소재가 잘 눌리는 정도를 의미합니다. 흑연 음극의 경우, 결정 구조가 약해서 압력이 높으면 잘 깨져 버리기 때문에 양극보다 낮은 합제 밀도가 적용됩니다.

합제밀도
[출처 : 배터리 인사이드]

4. 슬리팅&노칭 공정

슬리팅 : 압축시킨 전극을 배터리 모델 규격에 따라 세로 방향으로 폭을 잘라내는 단계

노칭 : 배터리 제작 사이즈에 맞춰 전극을 가로 재단하면서, V자 홈과 양극,음극 탭을 만드는 단계

슬리팅 공정이 마무리되면, 진공건조기에서 남은 수분을 제거합니다. 수분이 제거된 전극은 V홈과 탭을 만들기 위해 노칭 공정에서 전극에 활물질이 도포되지 않은 빈공간을 원하는 탭모양을 남기고 잘라내는 공정을 거치게 됩니다.

노칭 공정
[출처 : 배터리 인사이드]

노칭 공정시 칼날 또는 레이저를 사용하여 무지부를 절단하게 되는데, 이때 일정한 절단부와 공정속도 향상을 위해 레이저를 이용한 파단을 선호 한다고합니다.

 

여기까지 전극 공정이 모두 마무리되었고, 이제 배터리 만들기 두번째 단계인 ‘조립 공정’으로 이어지게 됩니다.

궁금하신 부분이나 의문점이 있으신분은 언제든지 댓글을 달아주시면 답변 드리겠습니다.

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