1. 화성 공정(활성화 공정)이란?
‘4대 공정(전극 공정 → 조립 공정 → 활성화 공정 → 팩 공정)’ 중 세 번째인 ‘활성화 공정’ 단계로 넘어갑니다.
화성 공정은 배터리 제조 공정중 29%를 차지하며 ‘충방전 공정’ 또는 ‘화성 공정’이라고도 칭합니다. ‘조립 공정’까지 만들어진 배터리는 형태만 갖추고 전혀 기능을 하지 못하는 상태입니다. ‘활성화 공정’을 통해 전기적 특성이 부여되고, 안정화 작업 후 결함 검사와 배터리 등급을 부여 받는 단계 입니다. 간단하게 조립 공정 직후 배터리에 충전을 시켜 전기적 특성이 부여되고, 양극재 및 음극재에 전해액이 충분히 함침 되도록 기다리는 에이징 작업, 이 과정을 충분히 반복 한 후 파우치 배터리에만 국한되지만 필요 시 내부 가스를 제거하는 디게싱 작업, 이후 전지의 성능을 갖추게 되는데 내부저항(IR) 및 개방 회로 전압(OCV)등을 검사하여 최종 등급을 부여해 셀이 탄생하게 됩니다.
2. 충전과 방전(Formation)
화성 공정중 80%를 차지하며, 리튬 이온이 처음으로 전해질을 통해 음극 그라파이트에 쌓이게 되는 단계입니다. 이 단계에서 가장 중요한 ‘SEI(Solid Electrolyte Interphases)’가 음극층에 형성됩니다. 충전이 완료되면 방전을 진행하여 이번에는 리튬 이온이 반대로 이동하며 양극층에도 충분한 SEI가 생성되게 됩니다. 이 때 셀 속 존재하는 리튬 이온의 약 5~10%가 사용되며 배터리의 안전성과 수명을 결정 짓는 중요한 요소이기에 이를 안정적으로 조절하는 연구가 계속되고 있습니다.
3. 에이징(Aging)
충방전이 완료되면 상온과 비슷한 조건의 챔버 내에서 가만히 놓아 두는, 전해질이 양극 및 음극에 골고루 함침 되도록 합니다. 리튬 이온이 전해질을 통해 양극과 음극을 원활하게 확산되어 이동할 수 있도록 만들어주는 에이징 과정 입니다. 배터리의 용량에 및 성능에 따라 즉 양극과 음극 그리고 전해질의 양에 따라 충방전과 에이징 과정을 충분히 반복하게 됩니다.
4. 디게싱(Degasing)
충방전과 에이징 작업을 진행 하다보면 화확적인 반응으로 인해 셀 내부에 가스가 생기게 됩니다. 원통형 및 각형의 경우에는 케이스가 단단하고 내부에 충분한 공간이 있어 가스를 그대로 담아두지만 ‘파우치’의 경우 좀 더 유연한 케이스가 적용되어 부풀어 오르게 됩니다. 때문에 이를 제거하기 위해 파우치 배터리 제조 공정중 ‘공기 포켓’에 이 가스를 담아 제거하는 공정이 추가로 진행되게 됩니다. 이 때문에 파우치 배터리의 에너지 밀도가 더 높은 이유이기도 합니다.
5. 테스트 및 불량 선별
‘디게싱 공정’ 이후 충방전 및 에이징 작업을 몇 차례 더 반복 해줍니다. 이때 충전 용량과 불량 배터리를 선별하게 되는데 IR(Internal Resistance)와 OCV(Open Circuit Voltage)등을 분석하여 셀의 품질을 평가하게 됩니다.
여기까지 우리가 사용하는 셀의 최종 형태가 만들어지고 실제 사용 가능한 배터리가 탄생하게 됩니다. 배터리 업체는 이 셀 들을 구매하여 자신들의 제품 및 어플리케이션에 맞게 사용하는 ‘팩 공정’에 대하여 다음 시간에 알아보도록 하겠습니다.