전기자동차와 각종 IT 기기에 탑재되는 배터리는 어떻게 만들어질까? [배터리 공정] 시리즈는 지난 기사를 통해 극판 공정과 스태킹 공정, 그리고 조립 공정을 소개했다. 이번 기사에서는 배터리 공정의 마지막 단계인 화성 공정에 대해 알아본다.

각형 배터리를 기준으로 양극과 음극 극판이 만들어지는 극판 공정이 완료되면, 이들 극판과 분리막을 쌓는 스태킹 공정을 거쳐 스택이 형성된다. 이후 진행되는 조립 공정에서는 앞 공정을 통해 만들어진 스택을 육면체 모양의 단단한 캔에 집어 넣는다.

극판 – 스태킹 – 조립 공정을 마친 배터리는 완성된 외형과 내부 구조를 갖추고 있지만, 배터리로서의 역할을 수행할 수는 없다. 이때 배터리에 생명을 부여하는 과정이 바로 화성 공정이다. 셀에 전기적 특성을 부여하고 결함을 확인하여, 배터리가 제 기능을 할 수 있도록 만들어주는 것이다. 이는 배터리의 안전성과 수명에도 밀접하게 연관되어 있다.

* 더 알아보기 → ①극판, ②스태킹, ③조립 (클릭)

화성 공정은 다음과 같이 총 네 단계로 이루어진다. 충방전 공정, 에이징(Aging) 공정, 특성 검사, 포장 공정이다.

충방전 공정

충방전 공정은 셀에 충전과 방전을 반복하며 전기적 특성을 부여하는 공정이다.

충방전은 충전, 방전 조건에 따라 셀의 수명과 특성이 결정되는 중요한 공정이다.

조립이 완료된 셀을 처음으로 충전하는 공정을 초충전이라고 하며, 해당 과정을 통해 SEI 피막이 형성된다. SEI 피막은 음극의 표면을 둘러싸며 생기는 얇은 막이다. 이는 리튬 이온의 출입 통로가 되며, 음극 표면이 의도치 않게 반응하는 것을 억제하여 배터리의 손상을 방지하는 역할을 한다.

한편 초충전을 진행할 때는 양극과 음극의 계면이 형성되며 화학 반응이 일어나고, 이에 따라 부산물이 생성된다. 이러한 부산물들은 배터리의 성능과 안전성에 부정적인 영향을 주기 때문에 셀 설계에 맞는 적절한 조건으로 초충전을 진행해야 한다. 초충전 후에는 추가적으로 충전과 방전을 진행한다. 이를 통틀어 충방전 공정이라고 부른다.

에이징 공정

에이징 공정은 셀을 일정 기간동안 보관하며 전압을 안정화하는 단계다.

전기적 에너지를 받은 셀의 전압은 화학적 평형을 찾아 점점 낮아지는 특성을 가지고 있다. 일상 생활에서 배터리를 가만히 두면 자연스럽게 방전되는 현상이 바로 이 때문이다. 하지만 셀 충방전이 종료된 직후 전압을 측정해보면, 충방전의 영향으로 전압이 증가하거나 전압이 아주 빠른 속도로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 충방전 이후 배터리가 안정되려면 어느 정도의 숙성 과정이 필요하며, 이 과정을 ‘에이징’이라고 부른다.

에이징 공정은 타 공정 대비 많은 시간과 공간을 사용한다. 배터리가 안정되기 위해서는 일정 시간이 소요되며, 에이징을 위해서는 일정한 온도와 습도로 엄격하게 관리되는 에이징 룸이 마련되어야 하기 때문이다. 따라서 제품 특성에 맞는 이상적인 온도와 시간을 도출하여 생산성을 높이는 것이 해당 공정의 핵심 기술력이다.

특성 검사

특성 검사는 셀의 각종 특성이 지정된 스펙을 충족하는지 확인하는 단계다. 

제품을 생산할 때에는 제품의 각종 특성이 고객과 약속된 스펙 내에 존재하는지 확인하는 과정이 필수적이다. 여기에는 용량, 전압, 두께 등이 있다. 해당 항목들을 확인하는 단계가 특성 검사다. 특성 검사에서는 부적합한 제품이 고객에게 전달되지 않도록 약속된 특성을 주어진 시간 내에 정확하게 측정하는 것이 중요하다.

특성 검사는 전 공정에 걸쳐 진행된다. 구체적으로 충방전 공정에서는 충전과 방전을 통해 용량을 측정하고 전압을 측정한다. 이후 에이징 공정에서는 이에 더해 셀 내부에 활성화된 이물이 있는지를 검사한다. 이어서 살펴볼 포장 공장에서는 셀의 두께를 측정한다.

포장 공정

포장 공정은 배터리의 외관 상태를 확인하고, 출하될 수 있도록 포장하는 공정이다.

먼저 절연 테이프를 셀의 외부에 부착한 후, 전압을 인가해 누설되는 전류가 있는지 검사한다. 이를 통해 눈에 보이지 않는 절연 파괴 여부까지 확인할 수 있다. 셀의 찍힘이나 긁힘, 오염 등을 선별하는 외관 검사까지 실시하고 나면 셀의 정보가 기입된 라벨을 부착한다. 마지막으로 박스 또는 리터너블 패키지에 셀을 담아 포장하면 공정이 마무리된다. 이 공정에서 불량 제품이 검출되지 않는다면, 곧바로 고객에게 전달되기 때문에 세심한 관리가 필요하다.

리터너블 패키지는 삼성SDI가 채택한 친환경 포장 용기다. 해당 용기에 셀을 담아 고객사에 보내면, 빈 박스를 다시 받아 이를 재활용해 불필요한 포장 쓰레기 배출을 줄일 수 있다.