안녕하세요, 이번 시간에는 4695 배터리의 특성을 제조 과정을 통해 알아보고 팩에 적용시 얻게되는 장점에 대하여 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.
1. 2170 & 46955 배터리의 차이점
1) 동일한 전극 공정과 와인딩 공정
첫번째 사진은 2170 배터리의 제조 공정을 간단히 나타낸 모식도 입니다. (18650 배터리도 동일) 아래는 4680과 4695 사이즈인 46시리즈의 제조 공정입니다. 18650을 포함해 세 배터리 모두 기본적으로 서로 다른 사이즈의 극판이 권취(Winding)된 젤리롤을 캔에 집어 넣고 전해질을 넣는 방식은 동일합니다. 하지만 4680 또는 4695 배터리의 경우 보다 커진 몸집 때문에 추가되는 공정이 존재해 조금 더 제작 하기가 까다로워지게 됩니다.
2) 노칭 공정
배터리 제조 공정중 첫번째로 큰 차이를 보이는 단계가 ‘노칭공정’ 입니다. 왼쪽에 보이는 전극판의 평평한 측면과는 다르게 오른쪽 46시리즈의 경우 계단식 구조의 노칭이 필요하게 됩니다. 보다 큰 지름을 가진 원통형의 양극과 음극의 안정적인 탭 용접을 위해 위 구조가 적용되게 됩니다. 원통형 셀의 와인딩 공정은 상당히 빠른 속도로 극판이 돌돌 말리게 되는데 2170 시리즈까지는 안정적으로 권취(winding)가 되지만 46시리즈의 경우 깔끔한 원통형의 젤리롤형태가 나오기 어렵게 됩니다. 이 노칭 공정은 레이저방식과 프레스 방식으로 만들어지게 되는데 레이저 방식의 장비는 상당히 높은 가격이라고 합니다.
3) 디스크 용접
제일 위 그림을 다시 가져왔습니다. 46시리즈의 경우 Can 삽입전 젤리롤 형태에서 양극과 음극에 Disk 용접이 이루어지게 됩니다. 이렇게 견고하고 넓은 극판이 용접된 젤리롤이 만들어지면 캔에 삽입하여 마무리로 용접 또는 클램핑이 이루어지게 됩니다.
4) Can 삽입 후 용접 or 클램핑
왼쪽이 1865 & 2170, 오른쪽이 46시리즈 원통형 배터리의 단면도 입니다. 기존 방식은 각 탭 전극에서 한 개씩 탭 또는 밑 바닥에 용접이 됩니다. 파란색 선이 음극부분, 윗쪽 부분이 양극 부분으로 이루어져 있습니다. 46시리즈의 경우 Can 삽입전 Disk가 부착된 젤리롤이 캔에 삽입이되어 다시 용접과 클램핑이 되어있는 모습입니다. 제조사마다 약간의 차이가 있고, 완성차 업체에서 셀을 직접 생산하는 테슬라를 예로 클램핑 방식이 아닌 양쪽 모두 용접 하는 방식도 존재합니다. 여기서 46시리즈와 기존 원통형의 차이점은 디스크 존재 유무로인한 탭 용접방식에서 상이함을 보입니다. 이후 기존 셀과 동일하게 전해액을 주입하고, 화성 공정을 거치면 사용 가능한 셀이 완성되게 됩니다.
2. 4695배터리의 전기차 적용 기대효과
테슬라가 전기차 배터리로 4680을 선택하며 원통형 배터리의 적용성 및 확장성을 보여준 것은 자동차 배터리 팩 설계에서 엄청 난 획을 긋는 아이디어였습니다. 기존 전기차에 적용중이었던 2170 배터리 대비 너비와 높이가 높아지며 그만큼 용량이 늘어나고, 필요한 셀의 수가 줄어들면서 셀 관리 측면에서 난이도가 수월해졌기 때문입니다.
위 배터리팩은 완성차 업체 리비안사 ‘R1T’에 적용된 배터리 팩의 모습입니다. 2170 배터리가 2층으로 쌓여 있는 모습입니다. 총 용량은 135kW로 상당이 높은 용량을 보유중인 팩 입니다. 배터리 셀은 ‘삼성SDI’의 2170 배터리 7776개가 사용되었다고 합니다. 하지만 이러한 배터리팩 스펙을 46시리즈 중 4695배터리를 사용하게 되면 단일 층으로 스펙이 충족되어 완성차 제작시 상당한 제조 가격을 낮출 수 있게 됩니다.
이렇게 필요한 배터리 스펙에 따라 높이를 조절하여 배터리가 가지는 용량을 조절 할 수 있어 현재 삼성SDI에서는 높이가 80, 95, 110, 120 인 46 시리즈 배터리를 개발중이라고 합니다. 다양한 스펙을 요구하는 완성차 업체가 있는것으로 보여집니다.