배터리 공정 이슈 사항 (전극 코팅 공정)

2024.07.15 - [배터리/지식] - 배터리 공정에 대하여 (전극공정)

배터리 공정에 대하여 (전극공정)

 

이번 글에서는 배터리 공정에서 발생하는 이슈들을 파악해보고자 한다.

 

공정의 이해와 개선은 단순 작동과 순서뿐만이 아닌 이슈에 대한 경험과 도메인 지식을 통해 개선할 수 있다고 생각한다.

 

기계공학도인 필자가 알아두면 좋을 문제점들이 있는지 한 번 살펴보자.

 

 

"Lithium-Ion Battery Manufacturing Industrial View on Processing Challenges, Possible Soultions and Recent Advances" (2023)

Aslihan Orum Aydin, Franziska Zajonz, Till Gunther, Kamil Burak Dermenci, Maitane Berecibar, Lisset Urruita

 

논문에서 발췌한 내용이다.

 

 

1. 전극 공정 이슈

 

1) Coating Defect (Viscosity)

 

Coating Defect

Coating 공정은 슬러리 위에 기재를 도포하는 공정이다.

 

그림에서 왼쪽과 우측의 Coating 상태를 보면 끊어진 모습을 확인할 수 있다.

 

결함 원인: 슬러리 입자 응집으로 인한 표면 불규칙 결함.

 

Main Parameter: Viscosity, Shear Stress

 

일반적으로 양극재와 음극재의 슬러리 점도는 다음과 같다.

Anode: 1000 ~ 3000 cP

Cathode: 500 ~ 1500 cP 

 

Viscosity가 낮을 경우: 슬러리 혼합기 내부에서 입자들의 충돌로 인한 침전 혹은 응집체가 형성.

 

Viscosity가 높을 경우: 슬러리 혼합 과정에서 전단 응력의 부족으로 입자들의 분산이 잘 이루어지지 않은채 응집체 형성.

 

Thixotropic Model

 

배터리 슬러리 Coating 시 전단응력과 점도는 전단박화(Thixotropy)와 밀접한 관계가 있다.

 

전단박화란, 유체가 전단 응력을 받을 때 점도가 감소하고, 응력이 제거 될때 점도가 회복 되는 elastic과 유사한 현상이다.

 

해당 식이 연관있는 이유는 배터리 슬러리는 비뉴턴 유체이기 때문이다.

 

LG Chem, Samsung SDI, Tesla, Panasonic 등 글로벌 배터리 업계에서도 해당 특성을 활용한 코팅 공정 최적화를 실현중이다.

 

 

2) Coating Defect (Vortex)

 

Downstream Meniscus Vortex

 

Coating 공정에서 슬러리가 슬롯 다이를 통과 시 거동을 시각화 한것이다.

 

Meniscus는 특정 지점 통과시 형성되는 곡면을 의미한다.

 

Downstream 방향에서의 Meniscus에서 Shear rate가 낮아질 때 즉, Fluid Velocity 감소할 때 Vortex가 형성이 된다.

 

결함 원인: Vortex로 인한 Coating 불균일

 

Main Parameter: Velocity, Shear rate, Viscosity

 

Vortex는 Reynolds 수와 같은 무차원 수로 예측할 수 있다.

 

 

Reynolds 수로 유동 과정에서의 Turbulent Flow를 확인하여 Vortex에 대한 예측이 가능하다.

 

Coating 과정에서의 특성 길이(슬롯 다이 - 기판 거리), 유속 조절등을 통해 공정 최적화를 할 수 있다.

 

또한 CFD 분석 시 k- ε, SST, LES Model 등을 사용하여 Coating 유동을 예측하여 연구하는 방식도 진행되고 있다.

 

 

이번 글에서는 전극 코팅 공정에서 발생할 수 있는 결함에 대한 이슈에 대해 알아 보았다.

 

전단박화의 내용이 조금 복잡하여 이해하는데 다소 시간이 걸렸지만 중요한 Factor인 것에 대한 Insight는 얻을 수 있었다.

 

다음 글에서도 기계공학도로서 접근할 수 있는 공정 이슈에 대해 Review하고자 한다.

 

 

감사합니다:)