리튬 배터리 생산 공정에 대한 전체 설명

리튬 이온 배터리는 양극과 음극, 분리막, 전해질, 집전체, 바인더, 전도성 첨가제 등 여러 구성 요소로 이루어진 정교한 전기화학 시스템입니다. 작동에는 리튬 이온 및 전자 수송 메커니즘과 열 관리 프로세스가 결합된 양쪽 전극에서의 복잡한 전기 화학 반응이 포함됩니다.

리튬 이온 배터리의 제조는 50개 이상의 단계가 포함된 복잡한 공정입니다. 구체적인 생산 방법은 셀의 형상(원통형, 각형, 파우치형)에 따라 조금씩 다를 수 있지만 전체 제조 과정은 크게 세 가지 주요 단계로 분류할 수 있습니다:

1. 프런트엔드 프로세스: 전극 시트 제작
2. 중간 단계 프로세스: 셀 조립
3. 백엔드 프로세스: 형성, 에이징 및 패키징

리튬 이온 배터리와 관련된 중요한 안전 요구 사항을 고려할 때 제조 장비는 생산 주기 전반에 걸쳐 정밀도, 안정성 및 자동화에 대한 엄격한 표준을 준수해야 합니다.

리튬 배터리 제조 장비에는 전극 재료, 분리막 재료, 전해질 등 다양한 구성 요소를 세심하게 제어된 순서로 처리하고 조립하도록 설계된 다양한 특수 기계가 포함됩니다. 이 장비는 리튬 이온 배터리의 성능 특성과 생산 비용을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

제조 장비는 앞서 언급한 세 가지 주요 생산 단계에 따라 분류할 수 있습니다. 일반적인 리튬 이온 배터리 생산 라인에서 이러한 단계별 장비의 가치 분포는 프론트 엔드 40%, 중간 단계 30%, 백엔드 프로세스 30%입니다. 이 분포는 최적의 배터리 성능과 비용 효율성을 보장하기 위해 모든 단계에 걸쳐 고품질 장비에 투자하는 것이 중요하다는 것을 강조합니다.

리튬 배터리 제조 공정에 사용되는 기계 및 장비

프런트 엔드 공정의 목표는 양극 및 음극 시트를 제조하는 것입니다. 프런트 엔드 공정의 주요 공정에는 혼합, 코팅, 롤링, 슬리팅이 포함됩니다, 시트 절단및 다이 커팅. 이 공정에 사용되는 장비에는 믹서, 코터가 포함됩니다, 압연기슬리팅 기계, 시트 커팅 기계, 다이 커팅 기계 등입니다.

진공 믹서

전극 재료 혼합(진공 혼합기 사용)은 양극 및 음극용 전고체 배터리 재료를 용매와 균일하게 혼합하여 슬러리를 생성합니다. 전극 재료 혼합은 프런트 엔드 공정의 시작점이며 코팅 및 롤링과 같은 후속 공정의 기초가 됩니다.

코팅 기계

코팅(코팅기 사용)은 혼합 슬러리를 금속 호일 위에 고르게 코팅한 다음 건조하여 양극과 음극 시트를 형성하는 공정입니다. 프런트 엔드 단계의 핵심 공정인 코팅 공정의 품질은 완성된 배터리의 일관성, 안전성 및 수명에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 코팅기는 프런트 엔드 공정에서 가장 중요한 장비입니다.

롤링 머신

롤링(압연기 사용)은 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해 코팅된 전극 시트를 더욱 압축하는 공정입니다. 롤링 후 전극 시트의 매끄러움은 슬리팅과 같은 후속 공정의 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 전극 시트의 활성 물질의 균일성도 배터리 성능에 간접적으로 영향을 미칩니다.

롤링 머신의 원리:

언롤링 → 보정 후 언롤링 → 반대편 롤러 → 롤업 → 보정 후 롤업

슬리팅 머신

슬리팅(슬리팅 기계 사용)은 넓은 전극 시트 롤을 필요한 폭의 좁은 스트립으로 여러 개로 절단하는 과정입니다. 슬리팅 과정에서 전극 시트는 전단력을 받아 파손되어 결과물인 좁은 스트립의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 버와 주름이 없는지 등 좁은 스트립 가장자리의 매끄러움은 슬리팅 기계의 성능을 평가하는 데 있어 핵심 요소입니다.

슬리팅 머신의 원리:

언롤링 → 언롤링 보정 → 프로세스 보정 → 트랙션 → 메인 드라이브 → 롤업 → 롤업 보정.

시트 절단기

시트 절단(시트 절단기 사용)에는 전극 시트의 좁은 스트립에 탭을 용접하거나, 보호지를 부착하거나, 탭을 캡슐화하거나, 다음을 사용하는 것이 포함됩니다. 레이저 커팅 을 눌러 탭을 만듭니다. 이 탭은 이후 와인딩 공정에 사용됩니다. 다이 커팅(다이 커팅기 사용)은 코팅된 전극 시트를 후속 공정에서 사용할 수 있도록 특정 모양으로 절단하는 공정입니다.

다이 커팅 머신의 원리:

언롤링 → 스탬핑 → 다이 커팅 → 트랙션 → 롤업.

리튬 배터리 생산에서 중간 단계 공정의 목표는 셀을 제조하는 것입니다. 리튬 배터리의 종류에 따라 중간 단계 공정의 기술 경로와 장비가 다릅니다.

중간 단계 공정은 기본적으로 프론트 엔드 공정에서 만들어진 양극 및 음극 시트를 분리막 및 전해질과 함께 질서정연하게 조립하는 조립 공정입니다.

정사각형(파우치), 원통형(압연), 파우치 셀의 에너지 저장 구조가 다르기 때문에 리튬 배터리 유형에 따라 중간 단계 공정에 사용되는 기술 경로와 장비에 상당한 차이가 있습니다.

특히 정사각형 및 원통형 셀의 중간 단계 공정에는 주로 와인딩, 사출, 패키징이 포함되며 와인딩기, 사출기, 패키징 장비(쉘 삽입기, 그루브 롤러, 밀봉기, 용접기)와 같은 장비가 필요합니다.

파우치 셀의 중간 단계 공정에는 주로 적층, 주입, 포장이 포함되며 적층기, 주입기, 포장 장비와 같은 장비가 필요합니다.

와인딩 머신

와인딩(와인딩 머신 사용)은 프론트엔드 공정에서 생산된 전극 시트 또는 롤투롤 다이 커팅 머신으로 만든 좁은 전극 시트 스트립을 리튬 이온 배터리의 셀에 감는 공정입니다. 이 공정은 주로 정사각형 및 원통형 리튬 이온 배터리 생산에 사용됩니다.

와인딩 머신은 다시 사각형 와인딩 머신과 원통형 와인딩 머신으로 나눌 수 있으며, 각각 사각형과 원통형 리튬 이온 배터리의 생산에 사용됩니다. 원통형 와인딩에 비해 사각 와인딩 공정은 더 높은 장력 제어가 필요하기 때문에 사각 와인딩 머신의 기술이 더 까다롭습니다.

스태킹 머신

스태킹(스태킹 머신 사용)은 다이 커팅 공정에서 만들어진 개별 전극 시트를 리튬 이온 배터리의 셀에 쌓는 공정으로, 주로 파우치 셀 생산에 사용됩니다.

정사각형 및 원통형 셀에 비해 파우치 셀은 에너지 밀도, 안전성 및 방전 성능에서 상당한 이점을 가지고 있습니다. 하지만 적층 공정에는 여러 하위 공정과 복잡한 메커니즘이 병렬로 작동해야 하기 때문에 복잡한 동적 제어를 통해 적층 효율을 개선하기가 어렵습니다.

반면, 와인딩 머신의 와인딩 속도와 효율은 직접적으로 연결되어 있으며, 비교적 간단한 방법으로 효율을 높일 수 있습니다. 현재 적층형 셀과 권선형 셀 사이에는 생산 효율과 수율에 차이가 있습니다.

사출기

주입기(주입기 사용)는 리튬 이온 배터리의 셀에 정확한 양의 전해질을 주입하는 데 사용되는 장비입니다.

사출기의 원리:

전해질 링 삽입 → 배터리 조립 → 배터리 내 전해질 주입 → 진공 추출 → 배터리 방전.

캡슐화 장비

셀 캡슐화(쉘 삽입기, 홈 롤러, 밀봉기, 용접기 등의 캡슐화 장비 사용)는 리튬 이온 배터리의 외부 케이스에 상처가 있는 셀을 넣는 공정입니다.

쉘 삽입 기계의 원리:

셀 공급 → 절연 시트 공급 → 쉘 공급 → 조립 → 배송.

그루브 롤러 기계의 원리:

적재 → 당김 테이프 흡입 → 압연 홈으로 유입 → 압연 → 배출.

씰링 기계의 원리:

재료 재활용 → 공급 → 진공 추출 → 천공 → 포장.

용접의 원리 Machine:

고정 장치 마운트 → 레이저 용접 → 보호 필름을 떼어냅니다 → 모든 유닛의 내부 저항을 수집합니다 → 모든 유닛의 기밀성을 확인합니다.

백엔드 공정의 생산 목표는 리튬 이온 배터리의 형성과 패키징을 완료하는 것입니다. 중간 단계 공정이 끝나면 배터리 셀의 기능적 구조가 형성되며 백엔드 공정의 중요성은 테스트, 분류 및 조립을 통해 이를 활성화하고 안전하고 안정적인 리튬 이온 배터리를 형성하는 것입니다.

백엔드 공정의 주요 공정에는 형성, 용량 분류, 테스트 및 분류가 포함되며 관련 장비에는 주로 충전 및 방전 기계와 테스트 장비가 포함됩니다.

장비 방전

포메이션(충전 및 방전 장비 사용)은 배터리 셀을 먼저 충전하여 활성화하는 과정입니다. 이 과정에서 리튬 이온 배터리를 초기화하기 위해 음극 표면에 효과적인 고체 전해질 인터페이스(SEI) 필름이 형성됩니다.

용량 분류(충전 및 방전 장비 사용)는 형성 공정 후 설계 표준에 따라 배터리 셀의 용량을 측정하는 데 사용됩니다.

배터리 셀을 충전하고 방전하는 것은 배터리 셀 형성 및 용량 분류 프로세스의 필수적인 부분으로, 충전 및 방전 장비는 백엔드 프로세스에서 가장 일반적으로 사용되는 핵심 장비입니다.

충전 및 방전기의 최소 작동 단위는 "채널"이며, "유닛"(BOX)은 여러 "채널"로 구성됩니다. 여러 개의 "유닛"이 결합되어 하나의 충전 및 방전기를 구성합니다.

테스트 장비

테스트 과정(테스트 장비 사용)은 충전, 방전, 유휴 상태 전후로 진행되며, 선별은 테스트 결과를 바탕으로 일정 기준에 따라 형성 및 용량 선별 과정을 거쳐 배터리를 분류하고 선별하는 과정입니다.

테스트 및 분류 프로세스의 중요성은 불량 제품을 제거할 뿐만 아니라 실제 사용 시 셀이 병렬 및 직렬로 결합되는 경우가 많으므로 유사한 성능의 배터리를 선별하여 전체 배터리 성능을 최적화하는 데에도 도움이 됩니다.

결론

리튬 이온 배터리의 생산은 리튬 이온 배터리 생산 장비에 크게 의존합니다. 배터리에 사용되는 재료 외에도 제조 공정과 생산 장비는 배터리 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.

초기에는 중국이 수입 리튬 이온 장비에 의존했지만 몇 년간의 급속한 발전 끝에 중국 리튬 이온 장비 기업은 기술, 효율성, 안정성 및 기타 측면에서 점차 일본과 한국의 장비 기업을 따라 잡았습니다.

중국 기업은 비용 효율성과 판매 후 유지보수 측면에서도 이점이 있습니다.

현재 중국은 리튬 이온 장비 기업의 클러스터를 형성했으며, 이들은 국제 시장에 진출하는 고급 장비 명함이되었습니다. 리튬 이온 리더들의 수직적 제휴와 해외 생산 확대로 리튬 이온 장비 산업은 다운 스트림 생산 확대로 인해 새로운 급속 성장기에 접어들 것으로 예상됩니다.