이차전지(Secondary Battery)는 전기차, 스마트폰, 에너지 저장장치(ESS) 등 현대 산업의 핵심을 이루는 중요한 부품입니다. 특히, 전기차 배터리는 기존 내연기관 자동차를 대체할 핵심 기술로 자리 잡았으며, 향후 재생 가능 에너지 시스템에도 필수적인 요소가 될 것입니다. 이 글에서는 이차전지의 주요 공정을 전문적인 시각에서 상세히 설명하고, 각 공정에 사용되는 핵심 기술과 주요 기업들에 대해 다뤄보겠습니다.
1. 전극 공정 (Electrode Process) – 이차전지의 심장
이차전지의 성능은 대부분 전극 공정에서 결정됩니다. 전극은 배터리의 에너지 밀도, 충전 속도, 수명 등에 영향을 미치며, 특히 양극과 음극은 이차전지의 효율성 및 안전성을 좌우합니다.
1.1 슬러리 제조
전극을 만들기 위한 첫 단계는 슬러리 제조입니다. 슬러리는 활물질(양극재, 음극재), 도전재(흑연, 실리콘 등), 바인더, 용매로 구성됩니다. 이 단계에서 재료들이 균일하게 혼합되어야 전극 성능이 높아지며, 특히 도전재는 전극의 전기 전도성을 높이는 중요한 역할을 합니다.
1.2 코팅
슬러리가 준비되면, 코팅 공정으로 넘어갑니다. 양극은 보통 알루미늄 박, 음극은 구리 박에 코팅됩니다. 이때 코팅 두께와 균일성은 전지의 용량과 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 코팅 후에는 건조 과정을 거쳐 전극판이 형성됩니다.
1.3 압연 및 슬리팅
코팅이 완료된 전극판은 압연(롤 프레싱) 공정을 거쳐 두께가 조절되며, 이때 밀도와 표면 평탄도도 결정됩니다. 슬리팅 공정에서는 전극판을 정밀하게 절단하여 셀 크기에 맞는 전극을 만듭니다. 이 과정에서 전극의 기계적 강도와 표면 특성이 결정됩니다.
주요 기업: 엘앤에프, 에코프로비엠(양극재), 일진머티리얼즈, 천보(음극재 및 부품), 피엔티, 코윈테크(코팅 장비)
2. 조립 공정 (Assembly Process) – 전지 셀의 완성
전극이 준비되면, 이를 전지 셀로 구성하는 조립 공정이 시작됩니다. 이 공정에서는 전극을 배터리 셀 구조에 맞게 정렬하고, 내부 부품을 정확하게 배치해야 합니다.
2.1 전극 조합
전극 스태킹(스태킹 방식) 또는 와인딩(와인딩 방식) 방식으로 전극을 적층 하거나 말아서 셀 구조를 만듭니다. 파우치형 배터리는 전극을 스태킹 하여 층을 쌓고, 원통형 배터리나 각형 배터리는 와인딩 방식으로 전극을 말아 넣습니다. 이 과정에서 전극 사이의 정밀한 간격과 균일한 압력은 매우 중요합니다.
2.2 탭 용접 및 셀 결합
전극에 탭을 용접하여 전류를 연결합니다. 이 탭은 전지의 충전 및 방전 과정에서 중요한 역할을 하며, 용접 품질에 따라 셀의 안정성이 좌우됩니다. 그 후, 셀 내부에 전해액을 주입하고 셀의 외부 케이스를 결합하여 셀을 완성합니다.
2.3 포장 및 밀봉
조립된 셀은 밀봉되어 외부 환경과의 차단을 유지해야 합니다. 특히, 파우치형 배터리의 경우 밀봉 공정이 셀의 안전성 및 내구성에 중요한 역할을 합니다. 밀봉 후, 셀은 검사 공정으로 이동합니다.
주요 기업: 씨아이에스, 포스코엠텍(배터리 조립 자동화), 덕산네오룩스, 현대위아(배터리 셀 제조 장비)
3. 활성화 공정 (Formation Process) – 성능 최적화
활성화 공정은 배터리의 초기 성능을 설정하는 중요한 과정입니다. 이 과정에서는 전지 내부에서 고체 전해질 계면(SEI)을 형성해 전극의 안정성 및 내구성을 확보합니다.
3.1 초기 충방전 (First Cycle)
초기 충방전에서는 전류를 일정한 패턴으로 흐르게 하여 전지의 고체 전해질 계면(SEI)을 형성합니다. 이 과정은 배터리의 안전성과 수명에 큰 영향을 미치며, 충방전 시간과 온도 관리가 매우 중요합니다.
3.2 에이징(Aging)
활성화가 끝난 배터리는 일정 기간 에이징 과정을 거쳐 전지 성능을 안정화시킵니다. 이 과정에서 충전과 방전을 반복하여 배터리의 전기적 특성이 안정되며, 최적화된 용량과 출력을 제공합니다.
3.3 가스 제거 및 검사
초기 활성화 공정 중 발생한 가스를 제거하고, 배터리의 내부 저항, 전압 등을 검사합니다. 이 과정은 품질 관리에 매우 중요한 단계입니다.
주요 기업: 에이프로, 티에스아이(충방전 장비 및 검사 장비), 일진머티리얼즈, 삼성SDI(전극 공정 관련)
4. 검사 및 패키징 공정 (Inspection & Packaging) – 품질 관리와 최종 확인
배터리 제조의 마지막 단계는 검사와 패키징입니다. 이 단계에서 배터리의 품질과 안전성을 최종 점검하고, 고객의 요구에 맞게 제품을 포장합니다.
4.1 품질 검사
배터리는 OCV(개방전압) 검사, 내부저항 검사, 비전 검사 등을 통해 품질을 점검합니다. 비전 검사에서는 전극, 셀 외관의 결함을 자동으로 감지하고, 내부저항 검사는 배터리의 성능을 측정합니다.
4.2 패키징
최종 검사가 완료되면 패키징 공정이 이루어집니다. 배터리 셀은 보호 필름 또는 케이스에 밀봉되어, 물리적 충격이나 외부 환경으로부터 안전하게 보호됩니다. 밀봉 상태가 중요한 만큼, 고온, 저온 상태에서도 안전하게 사용할 수 있도록 설계됩니다.
주요 기업: 인텍플러스, 덕산테코피아(비전 검사 및 품질 관리), 레오스, 삼성SDI(배터리 패키징 및 보호 기술)
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