2차 전지 제조 공정 - 리튬이온 배터리

 

2차 전지(충전식 배터리)는 전기 에너지를 화학 에너지 형태로 저장하고 필요할 때 다시 전기 에너지로 변환하는 장치입니다.

2차 전지는 리튬 이온 배터리, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리, 니켈-수소(Ni-MH) 배터리, 납축 배터리 등 다양한 유형이 있습니다.

 

이번 글에서는 그 중에서 가장 널리 사용되는 리튬 이온 배터리(Lithium-ion Battery)의 제조 공정 알아보겠습니다.

1. 원재료 준비

리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소는 음극(anode), 양극(cathode), 전해질(electrolyte), 분리막(separator)입니다.

• 양극 재료: 리튬 금속 산화물(예: LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4)
• 음극 재료: 그래파이트(탄소)
• 전해질: 리튬 염(LiPF6)과 유기 용매(예: EC, DEC)
• 분리막: 폴리올레핀 필름(예: PE, PP)

2. 슬러리 제조

양극과 음극의 활성 물질을 도포하기 위한 슬러리를 준비합니다.

• 양극 슬러리: 양극 활성 물질(리튬 금속 산화물), 도전재(카본 블랙), 바인더(PVDF)를 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone) 용매에 혼합하여 균질한 슬러리를 만듭니다.
• 음극 슬러리: 음극 활성 물질(그래파이트), 바인더(PVDF)를 혼합하여 균질한 슬러리를 만듭니다.

3. 코팅

슬러리를 집전체(collector)에 도포하여 전극을 만듭니다.

• 양극 코팅: 알루미늄 호일에 양극 슬러리를 코팅한 후 건조시킵니다.
• 음극 코팅: 구리 호일에 음극 슬러리를 코팅한 후 건조시킵니다.

4. 롤 프레스

코팅된 전극을 롤 프레스하여 두께를 균일하게 만듭니다. 이는 전극의 밀도를 높여 에너지 밀도를 향상시키는 역할을 합니다.

 

5. 절단 및 태핑

프레스된 전극을 셀 크기에 맞게 절단하고, 전극 탭을 부착합니다. 양극에는 알루미늄 탭을, 음극에는 니켈 탭을 부착합니다.

 

6. 셀 조립

전극과 분리막을 조립하여 셀을 만듭니다. 이는 크게 두 가지 방식으로 이루어집니다.

• 와인딩(Winding): 전극과 분리막을 원통형으로 감아 셀을 만드는 방식입니다. 주로 원통형 배터리에 사용됩니다.
• 스태킹(Stacking): 전극과 분리막을 적층하여 셀을 만드는 방식입니다. 주로 각형 배터리와 파우치형 배터리에 사용됩니다.

7. 전해질 주입

조립된 셀에 전해질을 주입합니다. 전해질은 리튬 이온이 이동할 수 있는 통로를 제공하여 충전 및 방전이 가능하게 합니다.

 

8. 셀 밀봉

전해질을 주입한 후 셀을 밀봉합니다. 이는 주로 열 밀봉을 통해 이루어지며, 셀 내부의 전해질이 외부로 누출되지 않도록 합니다.

 

9. 형성 및 에이징

밀봉된 셀은 초기 충전 및 방전 과정을 거치며, 이를 통해 셀 내부의 화학 반응을 안정화시키고 성능을 확인합니다. 이 과정을 형성(Formation)이라고 하며, 이후 일정 기간 동안 셀의 특성을 안정화시키는 에이징(Aging) 과정을 거칩니다.

 

10. 최종 검사 및 패키징

형성과 에이징이 완료된 셀은 최종 검사를 통해 품질을 확인합니다. 전압, 용량, 내부 저항, 외관 등의 검사를 통과한 셀은 최종 패키징되어 출하 준비를 마칩니다.

 

 

리튬 이온 배터리의 제조 공정은 원재료 준비, 슬러리 제조, 코팅, 롤 프레스, 절단 및 태핑, 셀 조립, 전해질 주입, 셀 밀봉, 형성 및 에이징, 최종 검사 및 패키징의 단계를 포함합니다. 각 단계는 배터리의 성능과 안전성을 확보하기 위해 매우 중요하며, 정밀하고 신중하게 수행되어야 합니다. 이러한 과정을 통해 고품질의 리튬 이온 배터리가 생산됩니다.