[2차 전지 제조 공정] 2차 전지 화성 공정 (충방전 공정) 및 관련 장비 기업

 

 

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2차 전지 제조 공정의 전체적인 개요 및 관련 장비 기업에 대해서는 위 글을 먼저 참고 부탁드립니다.

 

 

 

1. 2차 전지 화성(충방전) 공정

 

전체 공정의 29%를 차지하는 화성 공정은 충방전 공정 혹은 활성화 공정이라고도 하며 배터리 셀에 전기적 특성을 부여해 활성화시키고 전지의 안정화 작업 후 결함 검사 및 배터리 등급을 부여하는 공정입니다.

세부적으로는 초기에 방전되어 있는 배터리 셀에 충전을 통해 전기적 특성을 부여하고, 방전 용량을 검사하는 Formation, 배터리 셀의 양극재 및 음극재에 전해액을 충분히 분산시켜 최적 상태를 만들어 주는 Aging, 전지의 내부 저항을 분석하고 개방회로전압을 측정해 전지의 성능과 품질을 검사하는 IR/OCV, 최종 데이터들을 통해 전지의 양불판정과 등급을 나누고 선별하는 Graiding, Selecting 등으로 나뉩니다.

 

화성 공정의 핵심은 고용량 배터리를 신속하게 충전, 검사하고 신뢰성과 안정성을 높이는 것 입니다.

 

 

2차 전지 화성 공정 조감도 (출처 : 원익피앤이)

 

화성 공정은 대부분이 자동화되어 있으며, 관련 장비 기업으로는 국내의 원익피앤이(전 피앤이솔루션), 에이프로, 삼지전자와 중국의 한커 등이 있습니다.

특히 국내의 에이프로는 국내 최초로 고온가압 충방전 장비를 도입해 충방전 효율을 높이고 화성 공정 전체를 Turn Key 방식으로 제작 가능한 기업입니다.

원익피앤이의 경우 화성공정 장비 점유율 1위이며 유럽의 배터리셀 제조 기업인 노스볼트(NorthVolts)에도 납품하고 있습니다.

 

 

 

2. 첫번째 : Formation (충방전) 공정

 

충방전공정은 셀을 활성화시켜 전기적 특성을 부여하는 공정으로 현재 연간 3조원의 시장 규모를 형성하고 있으며 화성 공정 전체의 80% 비용을 차지합니다.

활성화 과정에서는 2차 전지의 리튬과 전해액이 화학적으로 반응해 고체전해질중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 층이 음극에 형성되는데, 이 층이 리튬 이온을 전달하고 전해액과 리튬의 직접적인 접촉을 막아줘서 리튬 금속의 부식을 방지하는 역할을 하게 됩니다.

그러나 SEI가 불균일하게 형성되거나 국부적으로 집중되어 두껍게 쌓이게 되면 전해액과의 접촉을 증가시켜 전해액과 리튬 간 SEI 생성 반응이 지속적으로 발생하고, 이는 전해액과 리튬을 빠르게 고갈시키고 전지의 저항을 증가시켜 충전 속도와 용량을 낮추는 문제가 발생합니다.

즉 SEI 층이 배터리의 수명과 충방전 사이클 성능에 중요한 역할을 수행하므로 이를 안정적으로 조절하는 연구들이 지속되고 있습니다.

Formation 공정에 사용되는 장비의 경우 ▲빠르고 안정적으로 충방전을 수행하는 기술과 ▲전압과 전류를 정밀하게 제어하는 기술 및 방전 시 사용되는 에너지를 재사용하여 ▲에너지 효율을 높이는 기술 등이 필요합니다.

 

 

파우치형 셀의 Formation 공정 (출처 : RWTH)

 

 

 

3. 두번째 : Aging 공정

 

Aging 공정은 충전된 전지를 특정한 조건의 온도와 압력, 습도 등의 조건에서 보관하면서 전지 내 전해액을 충분히 분산시켜 SEI층을 안정화 시키고, 자연 방전 특성을 측정해 불량품을 선별하는 공정입니다.

Aging 공정은 자연 방전 특성을 측정하기 위해 장기간 전지를 보관해야하는데 이로 인해 공정 기간이 길어지고 보관 장소 증가 등의 비용증가로 이어지기 때문에 Aging 기간을 단축시키는 것이 중요합니다.

 

 

파우치형 셀의 Aging 공정 (출처 : RWTH)

 

 

 

4. 세번째 : IR/OCV

 

IR/OCV (IR : Internal Resistance, OCV : Open Circuit Volatage)공정은 주파수 및 전류에 따른 2차 전지의 내부저항(IR) 분석, 개방회로전압(OCV) 측정 등을 통해 전지의 품질을 평가하는 공정으로 Formation 및 Aging 공정의 전후에 여러번 수행됩니다.

배터리의 내부저항은 외부 인가되는 전류에 의해 전압을 상승시키거나 강하시키게되는데 이는 충방전 효율에 큰 영향을 줍니다.
따라서 내부저항이 작을수록 전지의 성능이 좋습니다.

 

개방회로전압 측정은 배터리의 방전 시 양음극 간 미세단락 여부를 확인하기 위해 사용됩니다.
미세단락이 생기면 배터리의 개방전압이 미세하게 변하는데, 변화량이 매우 작기때문에 측정을 위해서는 방전 시간이 길어져야 합니다.

따라서 OCV 측정기의 정확도와 정밀도가 좋을수록 방전 시간을 줄여 전체 공정 효율을 높일 수 있습니다.

 

 

에이징 시간에 따른 전압강하 (출처 : 히오키코리아)

 

 

 

5. 네번째 : Selecting, Grading

 

이 공정은 앞의 Formation, Aging, IR/OCV 공정을 통해 얻은 데이터를 통해 배터리 셀의 양/불을 판정하고, 품질 별로 등급을 자동으로 분류해주는 공정입니다.