1. 전기차 (Electric Vehicle) 배터리 유형 (Type) 『 배터리 형태별 장.단점 』
▶ 배터리는 형태에 따라 원통형(Cylindrical), 각형(Prismatic), 파우치형(Pouch)으로 나눌 수 있다. ▶ 초기에는 가장 큰 전기차 생산업체인 테슬라가 원통형 배터리를 사용하면서 원통형이 주류를 이루었으나, 이후 후발주자인 BMW, 폭스바겐, 현대차 등이 경량화에 유리하며 에너지 밀도가 높고 다양한 사이즈로 제작이 가능한 각형이나 파우치(폴리머)형 배터리를 사용하면서 그 비중이 점차 늘어가고 있다. ▶ 현재 배터리를 생산하고 있는 국내 업체로는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션이 있고, 배터리 제조업계 및 완성차 업계에서는 한 형태에 국한하지 않고 전기차를 양산하고 있다. 『 전기차 배터리 구성 』
자료: 삼성SDI ▶ 전기차 배터리 공급을 위해서는 제품개발(2~3년), 양산검증(2년), 안전성 검증(2년)까지 6~7년이 소요돼, 신규업체가 진입하기에는 다소 긴 시간이 소요돼 진입장벽이
존재한다. 『 배터리(Battery) 가격 추이 』 자료: SNE리서치, 메리츠증권 ▶ 배터리 필수 소재 (높은 진입 장벽) ⇒ 1) 파우치필름, 2) 실리콘음극재, 3) NCA양극재, 4) 도전재 2. 배터리 제조 공정 - 배터리 산업의 주연은 소재, 장비는 안정적인 대량 생산 시스템 구축을 위한 조연 역할을 한다. ▧ 배터리(Battery) 제조 공정 - 전극공정(30%), 조립공정(17%), 화성공정(29%), 기타공정(24%)으로 이루어진다. -
전극공정: 원재료 투입후 전극을 구성하는 활물질과 도전재, 바인더를 섞어서 양극과 음극을 만드는 공정. ● 양극재와 음극재를 각각 알루미늄 극판, 동박 극판에 붙이는 공정.
i) 믹싱(Mixing) 전극공정의 첫단계로 활물질에 도전제, 바인더, 용매를 넣고 섞어 슬러리(Slurry)를 만든다. ☞ 슬러리(Slurry) : 고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물속에 현탁(懸濁)된 현탁액.
ii) 코팅(Coating)&건조 양극판은 알루미늄 기재, 음극판은 구리 기재를 사용하는데, 활물질, 도전제, 바인더가 고루 섞인 슬러리를 기재 위에 정해진 패턴 및 일정한 두께로 코팅한 후, Dry Air로 용매를 증발 시키는
공정이다. iii) 압연(Press) 롤투롤(Roll-to-Roll) 장비를 이용하여 기재(Al, Cu)와 활물질이 잘 붙도록 압력을 가하여 전극 두께를 줄이고, 에너지 밀도를 높이는 공정으로 두께만 줄고 길이는 일정, 이온의 원활한 이동성을 부여한다.
① 불량발생, ② 다결정구조의 극판(NCM, NCA, LFP) 압연시 결정이 부서져 배터리 수명 저하, ③ 흑연의 구명과 통로 유지가 어렵고, ④ 전극에 전해액 침투가 어려워 수명이 저하 된다.
슬리터(Slitter)를 이용해 설계된 전지 규격에 맞춰 전극 폭을 자르는 공정.
절단 공정을 마친 롤 형태의 전극판을 진공 건조기를 이용해 장시간 건조를 통해 수분을 제거하는 공정.
압연&슬리팅: 씨아이에스, 피엔티 2) 조립 공정 (Assembly Process) ● 전극공정을 통해 제조된 양극판과 음극판을 분리막과 같이 조립하여 완성품 셀을 만드는 공정이다. i)
노칭(Notching) 노칭 장비는 프레스 노칭 장비와 레이저 노칭장비로 구분되며, 레이저 노칭 장비는 다시 양극 레이저와 음극 레이저 노칭 장비가 있다. 음극보다 양극 레이저가 기술적으로 더 어려운 것으로 알려져 있는데, 이는 양극을 구성하는 알루미늄은 일반적으로 레이저 에너지의 50%를 흡수하는 반면, 음극을 구성하는 구리는 10%만을 흡수한다. 따라서 양극을 자르기 위해서는 음극보다 더 높은 밀도의 레이저 노칭 기술이 필요하다.
자료: 디이엔티 ii) 와인딩(Winding) 삼성SDI는 와인딩 방식, LG화학, SK이노베이션은 스태킹 방식을 이용하였으나, 최근에는 삼성SDI도 고용량 배터리를 위해 일부 와인딩 방식에서 스태킹 방식으로 바꾸고 있다. (현재 와인딩, 스태킹 방식 병행하고 있다) 장점: 제조원가가 싸고, 공정 속도가 빨라 생산성이 높다.
장점: 잔여 공간을 최소화해 에너지 밀도가 높다.
자료: 엔지니어TV, LG케미토피아
☞ 스택 & 폴딩 (Stack & Folding) 방식 이란? (상단 아래 그림) 잘라진 양극, 음극, 분리막을 Bi-cell로 만든 다음, 셀 밑에 깔린것이
분리막(Separator)인데 라미네이션(Lamination) 공정을 통해 정렬한 후 분리막을 접으면서(Folding) Bi-cell을 쌓는(적층) 과정. (반복) 【 대표 장비 업체 】 iv) 탭 웰딩(Tab Welding) 단일 극판으로부터 흘러나오는 전류를 한 곳으로 모으는 공정으로, 스태킹된 배터리 양극과 음극에 알루미늄과 구리 탭(Tab)을 무지부에 접착시키는 공정이다.
전해액을 주입한 후 최종 전지 형태로 모형을 형성하고 밀봉하는 공정이다. 각형과 원통형은 알루미늄 메탈케이스와 캔(CAN)이 봉지역할을 하며, 캡(Cap)을 닫고 레이저로 용접한 후 전해액을 주입한다. 파우치형은 알루미늄 필름 파우치가 봉지역할을 하며, 열을 가해 패킹한 후 전해액 주입하고 밀봉하고 셀 형태로 절단한다. ☞ 파우치형은 전해액 주입후 1차 충방전을 하면 가스가 차 부풀게 되는데, 최종 셀 조립 마무리 전에 가스를 빼주는 디개싱(Degassing)공정이 추가 된다. 주요 업체로는 엔에스, 엠플러스가
있다. 【 패키징 대표 장비 업체 】 엔에스, 지피아이, 캐논(일)
각형 파우치형 3) 화성 공정 (Formation Process) ● 조립된 배터리 셀에 전기적 특성을 가지도록 배터리를 활성화 시키고, 결함 여부를 파악하는 마무리 공정이다. ● 크게 Formation, Aging, Grading, Selecting의 네 가지 공정으로 나뉜다. 자료: 피앤이솔루션 i) Formation(충방전) 최초 충전 공정으로 방전
상태의 셀을 활성화 시키는 공정으로, 화성공정내 비중이 80% 이상이다. 이때 음극 표면에 이온 전도성 얇은 고체막, 즉 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층(Layer)이 형성된다. 자료: KAIST ☞ SEI(Solid Electrolyte Interphase) Layer 란? 'Solid Electrolyte Interphase" 직역하면 "고체 전해질 기간" 정도로 해석 즉, 음극재 표면에 고체 전해질 형태의 층(Layer)이 생성되어 있는 기간으로 해석된다. (참고로 SEI의 생성 과정을 명확하게 규정한 논문이나 연구는 아직 없다고 한다.) 배터리 제조후 최초로 충전하게 되면 리튬이온이 음극쪽으로 이동하여 100% 충전이 되면, 음극쪽에 전해질 내의 첨가제(Additive)와 화학적 부반응을 일으켜 음극(-) 계면 살짝 앞쪽에 얇은 고체 막(Layer)이 생기는데 이것을 SEI라고 한다. 이 SEI가 얼마나 잘 생성되느냐에 따라 배터리 성능 및 수명을 결정하게 된다. SEI 구성 성분은 산화리튬, Lithium Fluoride, 탄산리튬, 세미카보네이트, 고분자화합물 등으로 구성되어 있다. SEI가 생성되고 나면 지속적인 전기화학 반응을 보장하기 위해 리튬이온 수송은 허용하고 전자는 차단하게 된다. 【 SEI 형성과 수명 과정 】 흑연 박리와 균열, 전해질이 분해되어 SEI가 형성되고, 변환되면서 안정화되고 성장하게 된다. 일정 기간동안 양극, 음극에 상호작용이 지속되면 SEI가 용해되어 침전된다. 이런 과정이 지속되면 SEI에 리튬결정이 성장하고 부식되어 배터리 성능이 떨어지면서 수명이 다하게 된다. ii) Aging(안정화) 활성화 공정 이후 안정화를 거치는 공정으로 전해액의 안정화를 위해 정해진 온도와 습도에서 일정 시간 동안 보관, 이 과정을 통해 배터리 내부에 전해액이 고르게 분산돼 이온의 이동이 최적화될 수 있도록 한다.
등급분류기는 화성공정 중 마지막 단계에서 각 설비로부터 얻는 Data를 기반으로 전지의 등급을 분류하는 장비이다.
선별기는 충방전기 및 IR/OCV로부터 측정된 데이터를 바탕으로 배터리 셀의 불량을 판정하는 장비이다. ☞ 화성 공정은 대부분 자동화 되어 있는 것이 특징이다. 【 대표 장비 업체 】 4) 기타 공정 ● 검사 장비를 통해 셀의 불량을 점검하고 난 뒤 포장 및 출하의 과정을 거치게 된다. ● 전극, 조립, 화성 공정 이외에는 검사, 탈철, 자동화 장비 등이 있다.
② X-Ray 검사장비 : 셀 내부 Defect(결함)를 검사. ③ 외관검사기. ④ IR/OCV : 2차전지 및 Capacitor의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage)과 내부저항(Internal Resistance)을 측정하여 Battery의 특성 파악을 할 수 있는 장비.
피앤이솔루션, 갑진, 이노메트리, 에스에프에이, 브이원텍 ii) 탈철 장비 배터리 소재에 미세하게 포함되어있는 철 성분을 제거하는 장비.
대보마그네틱, 닛폰마그네틱
제품을 이송하거나 로딩/언로딩 등 제조라인상의 물류 시스템.
에스에프에이 ▩ 대보마그네틱 (탈철) ▶ 1976년에 설립, 1994년 법인전환, 2018년 11월 6일 코스닥에 상장된 전자석탈철기(EMF) 글로벌 1위 기업. ▶ 대보마그네틱은 자석 및 자석응용기기 전문업체로 자장으로 철을 제거하는 자력 선별기술을 기반으로 원료에 함유된 철이나 비철금속을 제거하는 탈철장비를 제조하고 이를 이차전지 소재업체와 셀 제조업체 등에 납품한다. ▶ 동사는 전자석탈철기(Electro Magnetic Filter, EMF), 자력선별기(Magnetic Separator, MS), 비철금속 선별기, 금속검출기 등의 제품을 보유 중이며, 특히 EMF는 2차전지의 발화 원인으로 지목되는 양극 소재에 함유된 미량의 철을 제거하는데 매우 탁월하다. ▶ 대보마그네틱은 일본 업체가 독점하고 있던 EMF를 국산화하며 오랜 연구 개발 경력으로 당사가 우위인 상황에서 경쟁사와 독과점 시장을 형성하고 있으며, 안전성이 검증되지 않은 신규업체의 탈철장비는 시장 진입이 매우 어려운 상황이다. ▶ 대보마그네틱은 EMF(전자석탈철기)를 테슬라, LG화학, 삼성SDI, 에코프로, 엘앤에프, CATL, BYD 등에 공급하고 있으며, 국내시장 70% 이상, 중국 시장도 60% 이상 점유하고 있다.
자료: 대보마그네틱 |