배터리는 3단계로 만들어진다

배터리를 만드는 과정을 보기 위해서는 제조 현장을 가는 것이 가장 좋은 방법입니다. 하지만 아쉽게도 일반인은 배터리 공장에 출입할 수 없습니다. 마치 눈 앞에서 배터리가 만들어지고 있다는 상상을 하며, 이번에는 배터리의 제조 공정 과정을 자세히 살펴보겠습니다.

[리튬이온 배터리의 제조 공정]

배터리의 제조 공정은 크게 극판 공정, 조립 공정, 화성 공정의 3단계로 구성됩니다. 첫 단계인 극판 공정에서는 양극과 음극을 만들고, 다음 단계인 조립 공정에서는 금속 캔 또는 파우치에 양극과 음극, 분리막을 말거나 쌓은 후 전해질을 넣습니다. 마지막으로 화성 공정에서는 충방전과 최종검사를 거칩니다. 극판 공정은 원통형, 각형, 파우치형의 세 가지 배터리 모두 동일한 과정을 거치지만 조립 공정과 화성 공정은 배터리의 형태에 따라 조금씩 차이가 있습니다.

극판 공정, 양극과 음극을 만든다

극판 공정은 배터리를 이루는 4대 구성요소 중 양극과 음극, 즉 극판을 만드는 공정입니다. 크게 믹싱(mixing), 코팅(coating), 프레스(press), 슬리팅(slitting)으로 구분됩니다. 풀어서 설명하자면 극판 공정은 섞고, 덧입히고, 누르고, 자르는 과정입니다.

[극판 공정 모식도]

믹싱 과정이 필요한 이유는 양극과 음극이 되는 금속 소재에 덧입힐 합제(혼합물)를 만들어야 하기 때문입니다. 합제는 양극과 음극의 전기 성능을 높이는 활물질에, 전도성이 높은 물질(도전재)과 금속 소재에 물질이 잘 붙도록 하는 접착제(바인더)를 섞어 만듭니다. 이렇게 만들어진 합제는 흔히 슬러리(slurry)라고도 불리며, 양극과 음극의 기재인 알루미늄판과 구리판에 코팅됩니다. 기재라고 불리는 금속판에 합제를 골고루 바르는 것입니다. 코팅 과정을 마친 알루미늄판과 구리판은 검은색 페인트칠을 한 것처럼 보입니다.

[배터리 기재와 합제]

프레스는 금속판에 합제가 잘 붙을 수 있게 압축하는 과정입니다. 이는 두께를 줄여 전극의 밀도 및 기재와의 접착력을 높이고, 이온의 출입을 원활히 하기 위함입니다. 마지막으로 사이즈에 맞게 극판을 자르는 슬리팅 과정을 진행한 후 수분 등을 제거하면 극판 공정이 마무리됩니다.

조립 공정, 4대 구성요소를 배터리에 넣는다

조립 공정은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 넣어 배터리로 만드는 과정입니다. 조립 공정은 크게 두 가지로 나뉩니다. 먼저 와인딩 공법은 양극과 음극 사이에 분리막을 넣고 돌돌 말아 젤리롤을 만드는 공법입니다. 다음으로 스태킹 공법은 양극, 음극, 분리막을 차곡차곡 쌓아 스택을 만들어내는 공법입니다. 이렇게 만들어진 젤리롤이나 스택을 금속 캔에 넣거나 파우치로 감싼 뒤 용접 또는 봉합을 하고 전해액을 주입하면 조립 공정이 완성됩니다.

[배터리 조립 공정 종류]

조립 공정은 자동화되어 운영됩니다. 단계별로 정해진 값과 다르게 문제가 발생하면 제조 라인 내에서 이상 알림이 울려 경고를 하고, 불량 셀들은 다음 단계로 진행되지 못하도록 자동으로 분류하는 시스템이 적용되어 있습니다. 완벽한 성능과 품질이 보장된 배터리만이 다음 공정으로 넘어갈 수 있습니다.

화성 공정, 배터리에 생명을 불어넣는다

화성 공정은 조립된 배터리가 전기적 특성을 갖도록 활성화하고 결함 여부를 파악하는 마무리 공정입니다. 조립 공정 직후의 리튬이온 배터리는 전압이 측정되지 않기 때문에 충전해서 활성화해야 기능을 할 수 있습니다. 화성 공정은 크게 충방전, 안정화, 등급 분류, 불량 선별의 과정을 거칩니다.

충방전은 최초 충전으로 방전 상태의 배터리를 활성화하는 과정으로, 화성 공정에서 80% 이상의 비중을 차지합니다. 이때 음극 표면에 얇은 고체막(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 층이 형성되며 이는 음극재 표면에 딱딱한 전해질 형태의 층이 생성되는 것입니다. 이러한 얇은 고체막은 배터리의 성능과 수명에 결정적인 역할을 하므로 화성 공정에서 벌어지는 매우 중요한 과정입니다.

안정화는 현장에서 ‘에이징(aging)’이라고 표현하기도 합니다. 이는 활성화 이후 전해질의 안정화를 위해 정해진 온도와 습도에서 일정 시간 동안 보관하는 과정입니다. 이때 배터리 내부에 전해질이 고르게 분산되어야 리튬이온의 이동이 최적화될 수 있습니다.

그 밖에도 화성 공정에서는 충방전 과정을 반복하고 배터리의 전압, 저항, 용량 등을 측정해 관리합니다. 이를 통해 불량 셀을 선별하여 외부로 유통되지 않도록 하기 위함입니다.