배터리 공정에 대하여 (전극공정)

 

2024.07.01 - [배터리/지식] - 배터리의 작동 원리

배터리의 작동 원리

 

이전 글에서 배터리의 소재 및 작동원리에 대하여 알아보았다.

 

이번 글부터 배터리는 어떤 제조 과정을 거쳐서 만들어질까에 대해 다뤄보고자 한다.

 

배터리도 반도체의 8대 공정과 마찬가지로 다양한 공정과 순서가 존재한다.

 

이번 글에서는 배터리의 공정 종류와 그 중 전극공정에 대하여 먼저 알아보고자 한다.

 

 

배터리 공정

LIB Manufacturing Process

 

배터리 전극 공정은 크게 4가지로 나뉜다.

 

1) 전극 공정

2) 조립 공정

3) 활성화 공정

4) 팩 공정

 

반도체 공정과 유사하게 전공정 / 후공정으로 나뉘게 된다.

 

전공정: 전극, 조립

후공정: 활성화, 팩 패킹

 

각 공정의 역할과 세부 process에 대해서 다뤄보고자 한다.

 

 

1. 전극 공정

 

Electrode Manufacturing Process

 

양극재(LFP, 삼원계), 음극재(C,Si) 등을 raw material로서 배터리에 사용할 순 없다.

 

즉, 가공을 해야 배터리의 양극, 음극으로서의 역할을 한다.

 

이처럼 배터리 전극 공정은 쉽게 말해 '양-음극 생산 공정' 이다.

 

전극 공정의 세부 공정에 대해서 알아보자.

 

 

1) Mixing

 

믹싱 공정은 전극의 활성 물질, 바인더, 도전성 첨가제를 균일하게 혼합하여 슬러리를 만드는 공정이다.

 

우선 배터리 양극재, 음극재의 구성요소에 대해서 알아보자.

 

 

전극은 합제와 집전체로 이루어진다.

 

믹싱 공정은 합제(활물질+도전재+바인더)의 슬러리를 만든다.

(슬러리는 혼합물이라고 생각하면 이해가 쉽다.)

 

믹싱 공정의 핵심은 활물질:도전재:바인더의 비율 최적화이다.

 

비율에 따라 전극의 용량, 수명, 안정성 등의 성능이 결정되기 때문이다.

 

*기술 동향은 도전재 & 바인더 최소화 / 활물질 비율 최대화이다. (용량 증가)

 

 

2) Coating

 

믹싱 공정에서 만들어진 슬러리를 금속(Al,Cu) Foil에 균일하게 도포하여 전극을 형성하는 공정이다.

 

이때 Coater 라고 하는 코팅 기계에 슬러리가 Foil 위에 코팅이 된다.

 

기재의 두께 또한 코팅 공정에서 결정된다.

 

 

코팅 공정에서는 중요한 Parameter 들이 생긴다.

 

- N/P Ratio: 음극과 양극의 용량 비율 

- L/L(Loading Level): 단위 면적 당 슬리러의 무게 (mg/cm2)

 

 

* N/P Ratio

The Reason why Anode > Cathode

 

음극과 양극의 용량에 대한 비율이다.

 

배터리 특성상 음극의 양이 양극의 양보다 무조건 많아야 한다.

 

충 방전 사이클이 진행되면서 Li+의 이동이 이루어진다.

 

이때 음극이 양극보다 작다면 Li+가 양극과 match-up되지 않은 표면에 석출되는 현상이 일어난다.

 

석출된 Li+는 Dendrite의 seed로서 작용하게 된다.

 

그렇기 때문에 N/P Ratio ≥ 1이 되어야 한다.

(* Wang, L., & Li, X. (2017). "Simulation of electrochemical behavior in Lithium ion battery during discharge process"

논문에 의하면 N/P ratio = 1.12 일 때, 가장 좋은 성능을 가진다고 한다.)

 

 

* Loading Level

 

Investigation of mass loading of cathode materials for high energy lithium-ion batteries / Loading Level

단위 면적당 슬러리의 무게를 의미 한다.

 

같은 Foil에 많은 양의 슬러리를 올릴 수록 에너지 밀도가 상승한다.

 

하지만 그만큼 저항이 올라간다.

 

"Surface-Coated LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) Cathode Materials by Al2O3, ZrO2, and Li2O-2B2O3 Thin-Layers for Improving the Performance of Lithium Ion Batteries"

논문에 의하면 통상적으로 L/L은 10~40로 set-up을 한다고 한다. 

 

이 중 양극재의  L/L은 20 mg/cm^2에 가까울수록, 300사이클 후 기존 용량의 85% 유지하여 최적의 성능을 나타낸다고 한다.

 

 

3) Pressing

 

 

 

프레싱 공정은 코팅된 합제에 롤러를 통해 고압을 가하여 전극 두께를 결정한다.

 

이때 합제의 밀도가 최종적으로 결정되며 균일도 검사를 진행하게 된다.

 

 

4) Slitting & Notching

 

 

슬리팅 공정은 OEM 요구 사항 및 필요한 배터리 팩에 들어갈 전극 시트를 원하는 폭으로 절단하는 공정이다.

 

슬러리가 도포되지 않은 부분은 Tab 접지 부분을 제외하고 제거하는 노칭을 진행한다.

 

 

이번 글에선 전극공정에 대한 전반적인 부분을 다뤘다.

 

다음 글에선 조립공정에 대해 다뤄보려고 한다.

 

 

감사합니다:)