배터리 공정은 전체 3개의 공정으로 나뉘어짐.
1) 전극 공정
2) 조립 공정
3) 활성화 공정
이외에도 공정 안에서 자동화 장비, 비전 검사, X-ray 검사 장비 및 기타 다양한 장비가 포함되어 있음.
1) 전극 공정
1-1)믹싱
쉽게 이해하면
음극 활물질, 양극활물질, 바인더, 도전재를 섞어주는 공정
- 양극재 구성: 활물질 (NCM)+ 바인더 (PVDF)+ 도전재 (카본블랙, CNT 등)
- 음극재 구성: 활물질 (흑연, 실리콘) + 수계 바인더 (SBR, CMC) + 도전재 (CNT 등)
- 바인더를 NMP 용해시켜 바인더 용액 제조. 활물질과 도전재를 혼합/ 분산시켜서 최종 슬러리 제조
- 대부분: PD-Mixer 사용하나 현재 양극재 특화 믹서, 코로나 믹서 등 효율성 극대화 믹서 테스트 중.
- SK 온: 윤성 F&C
- LG 엔솔: 티에스아이, 윤성 F&C
- 삼성 SDI: 제일엠엔에스
- 배터리 전체 공정에서 비중은 7~8% 수준으로 파악
1-2) 코팅
- 믹싱 공정에서 제조된 슬러리를 슬롯 다이 (SLOT DIE)를 통해서 정해진 패턴 및 일정한 두께로 금속 집전체 (알박, 동박)에 코팅한 후 건조하는 공정.
- 배터리 공정 안에서 난이도 높은 장비가 코팅 장비.
- 유량 편차 없이 코팅하는 기술, 건조 효율과 생산속도 그리고 집전체가 끊어지거나 구김 현상 없이 코팅 하는 것이 요구 됨.
- 현재 장폭 기준 70m/ min이 실제 생산속도
- 전체 장비 공정에서 20% 정도 차지하는 것으로 파악
1-3) 캘린더링 (프레싱)
- 고온 가열된 2개의 롤 사이로 전극을 통과시켜 원하는 두께로 압축하는 공정
- 캘린더링으로 인해 도포된 양극재와 음극재가 얇을수록 전극 용량 밀도가 증가하고 집전체와 활물질 간의 접착성이 증가함.
- 과도한 압력을 가할 시에는 불량이 발생하고 입자가 깨지며 배터리 수명 저하가 될 가능성이 존재하기에 극판 생산에 맞는 두께를 유지하는 것이 중요함.
- 향후 양극재 단결정의 생산의 경우, 롤의 마모율이 높아져서 롤 교체 주기가 짧아질 수 있을 것으로 보임.
- 현재 장폭 기준 균일 압연 두께 1.3um 이내와 100m/ min 생산속도로 코팅 공정이 이루어지고 있음.
1-4) 슬리팅 공정
- 커터를 이용하여 전지 규격에 맞춰 일정한 폭으로 절단하는 공정
- 슬리팅 이후 생기는 버 (Bur)가 적게 발생하는 것과 생산 속도가 중요함
- 칼날이 마모되어 교체 수요가 발생함.
- 현재 장폭 기준 max 120m/ min 생산속도로 슬리팅 공정 이뤄지고 있음
- 현재 커팅 이후 발생하는 Bur: 7um 이내
2) 조립 공정
2-1) 노칭 공정
- 슬리팅된 전극을 금형/ 레이저로 노칭하여 Tap 과 V자 홈을 형성함.
- 후속 공정으로 넘어가기 전 비전 검사로 품질 상태를 검사하여 NG는 배출하고 양품은 매거진에 적재함.
- 현재 프레스에서 레이저 노칭으로 전환되는 추세
- 앞으로 레이저 노칭이 주를 이룰 것으로 판단됨 이유는
1) 레이저는 설계 값을 입력하면 디자인 및 가공 범위 변화에 대응할 수 있고
2) 프레싱처럼 마모가 일어나지 않아 금형 프레스를 교체하거나 마모된 날로 인한 수율 악화가 덜하다는 점.
- 프레스 노칭은 파단이 생기며 수율에 악화되며 레이저 노칭은 수율이 5% 개선됨.
- 장폭 기준 프레스 노칭의 생산 속도는 260 ppm 수준이며 현재 300ppm 도입에 대한 연구가 이뤄지고 있음.
- 프레스 노칭은 800mm/min, 레이저 노칭은 1,000mm~1,200mm/min 수준
2-2) 스태킹 공정
- 음극과 양극 사이에 분리막이 위치하게 되며 최종적으로는 분리막이 셀을 감싸는 형태
- LG엔솔은 라미네이션 공정 특허기술을 가지고 있음.
- 기존의 Winding 공정보다 내구성 및 기계적, 열성 안정성이 높다는 특징이 있음.
- SK온, 삼성SDI는 Z-Stacking 방식을 채택하였음.
- 최근 LG엔솔도 Z 스태킹 방식으로 스태킹 방식을 교체 준비하고 있는 것으로 파악 됨.
- 현재는 0.5~0.6 sec/ sheet 으로 이뤄지고 있으며 0.4~0.5 sec/ sheet 수준을 목표로 속도 개선 연구가 진행되고 있음.
2-3) 탭멜딩 공정
- 탭 멜딩: 배터리 양극과 음극에 알루미늄과 구리 탭을 붙이는 공정
- 용접에는 초음파를 사용, 20-40,000 Hz 압력 하에서 함게 맞닿는 면을 문질러서 여러 알루미늄/ 구리 레이어와 탭을 결합함.
- 보통 적층 수 30개 이하의 배터리에서 사용되며, 적층 수가 30개 이상으로 넘어갈 시에는 레이저 탭 용접을 사용함.
- 패키징: 탭 용접 과정 후 , 미리 눌러 형태를 만들어놓은 알루미늄 파우치에 셀을 넣어 진공포장 방식으로 패키징 하는 공정.
- 가장자리에 열을 가하면서 압착하여 실링함.
2-4) 전해액 주입
- 전해액 주입 공정은 패키징된 셀에 전해액을 주입하는 공정임
- 패키징 방식에 따라 감압 혹은 가압 주입 방식이 적용됨.
- 각형 셀은 대기압 이하로 감압한 후 대기압 보다 더 높은 압력까지 가압하여 주입하는 방식을 사용하고
- 파우치 셀은 대기압 이하로 감압 후 대기압 보다 낮은 압력까지 가압하여 주입하는 방식을 사용.
3) 활성화 공정
3-1) 포메이션 공정
- 충전 및 방전을 통해 SEI layer 형성
* 여기서 SEI Layer 란.
최초로 리튬 이온이 음극으로 이동하여 100% 충전이 되면
그림의 노란색 선과 같이 서서히 음극쪽에 레이어 (층) 이 생기게 됨. 이것을 SEI 라함.
이 SEI 가 얼마나 잘 생성되느냐에 따라 배터리의 성능 및 수명이 결정 됨
- 프레차징 및 고온 에이징 등 배터리 셀에 따라 설계 값이 다르며 그에 따라 성능이 달라지기 때문에 시간과 방법은 조금씩 상이
- 변압기가 중요한데 현재 하나기술이 R&D랑 M&A로 기술 개발 중 (80% 수준으로 파악) 전체 활성화 공정 부피 33% 감소, 생산 효율 50% 극대화.
3-2) 디개싱 공정
- Pouch Cell 에서 첫 충전 과정 동안 생성된 gas 제거
3-3) 에이징 공정
- 충전, 에이징, 방전 등의 공정을 통해 전지 구조 안정화
- 불량 전지 제거 및 용량 선별하는 공정
- IR/ OCV는 충반전, 에이징 등 공정 사이 사이에 지속적으로 검사하여 불량을 검출
정리하면
배터리 제조 공정은
1) 전극 공정
2) 조립 공정
3) 활성화 공정으로 나뉘고
1) 전극 공정은
1-1) 믹싱공정
1-2) 코팅 공정 (가장 어렵고 매출 많이 일어남)
1-3) 프레스 공정
1-4) 슬리팅 공정
으로 나뉨
2) 조립 공정은
2-1) 노칭 공정
2-2) 스태킹 공정
2-3) 탭멜딩 공정
2-4) 전해액 주입 공정
으로 나뉨
3) 활성화 공정은
3-1) 포메이션 공정 (SEI 레이어 형성)
3-2) 디개싱 공정
3-3) 에이징 공정 (전지 안정화 및 불량 전지 선별)
으로 나뉨.
-LG엔솔은 파우치형, 원통형 배터리 생산.
- SK온은 파우치형에만 주력
- 장비의 리드 타임은 수주 후 매출 인식까지 중요한 타이밍이므로 알아두자.
SK온 은 현재 캐파가
- 중국 염성에 4라인, 12라인
- 헝가리 이반차에 11라인
- 미국 조지아에 4라인, 켄터키 17라인 *2
- 테네시 17라인
- 터키 오토산 17라인
보유 및 예정
LG엔솔은 현재 캐파가
- 폴란드 브로츠와프에 6라인, 오플레에 9라인
- 중국 난징에 6라인, 12라인
-미국
- 오하이오 (GM1공장): 3라인, 7라인
- 테네시 (GM2공장): 10라인
- 미시간 (GM3공장): 13라인
- 미정 (GM4공장) : 10라인
- 애리조나: 6라인
캐나다
- 온타리오 (스텔란): 16라인
인도네시아
- 카라왕: 5라인
삼성SDI 현재 캐파
미국 스텔란: 3라인, 4라인 보유
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