이차전지를 위한 레이저 장비

2차전지 제조에서 레이저가 사용되는 공정은 크게 1. 전극 공정, 2.조립 공정, 3. 모듈팩 공정이 있습니다. 공정별 세부 내용을 설명하기에 앞서, 이번글에서는 주요 레이저 공정의 종류에 대해 알아보겠습니다.

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1. 전극 공정

원재료 투입후 전극을 구성하는 활물질과 도전재, 바인더를 섞어서 양극과 음극을 만드는 공정.

- 건조 : 활물질이 도포된 전극은 코팅 후 건조 공정을 거치게 됩니다. 레이저는 기존의 열풍 건조 보다 에너지 효율이 높고 풋프린트가 작습니다. 또한 건조층만을 집중 가공하기 때문에 작업 시간을 단축시킵니다.

- 구조화 : 코팅된 전극의 표면을 다양한 형태로 구조화하여 에너지 밀도와 배터리의 성능을 향상시킵니다. 증가된 표면적으로 인해 리튬 이온의 확산 경로가 증가하여 출력을 높일 뿐만 아니라, 전극물질의 부피팽창에 의한 기계적인 응력이 감소되어 배터리의 안정성 향상에 기여합니다. 소재의 특성에 맞춰 레이저 가공조건과 형상을 최적화하는 것이 중요합니다.

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2. 조립 공정

전극 공정에서 넘어온 극판을 쌓고 캡을 씌우거나 파우치 밀봉 후 전해액을 주입하는 공정.

- 노칭 : 슬리팅 작업이 완료된 전극은 롤을 따라 노칭 공정에 투입됩니다. 셀 형태에 따라 조립하기 위해 전극 포일에 양극과 음극 탭을 가공합니다. 정확한 길이와 형태로 코팅 처리가 안된 무지부를 정밀 가공해야 합니다. 프레스 방식은 칼날이 마모되어 주기적인 교체가 필요하고 절단 중에 발생되는 이물로 전극의 품질 향상에 한계가 있습니다. 그에 반해 레이저는 최소 HAZ와 비접촉 프로세싱으로 소재의 변형을 최소화합니다.

- 탭 용접 : 단일 극판으로부터 흘러나오는 전류를 한 곳으로 모으기 위해, 적층된 배터리의 양극과 음극의 무지부에 각각 알루미늄과 구리 탭을 용접합니다. 기존에는 초음파를 통해 접합부의 진동에 의한 열로 탭을 접착했지만 형상과 공간의 제약이 있었습니다. 반면 레이저는 아주 작은 고밀도 에너지의 빔을 이용하기 때문에 우수한 이종 금속간 접합을 구현할 수 있습니다.

- 패키징 : 전해액을 주입한 후 셀들을 각 포맷에 맞게 실링하는 공정입니다. 각형과 원통형은 알루미늄 메탈케이스와 캔(CAN)이 하우징이 되며, 캡(Cap)으로 닫힌 상부를 레이저로 용접합니다. 파우치형 배터리는 다층 구조로 만들어진 알루미늄 필름 파우치가 하우징이 되며, 열을 가해 패키징합니다. 파우치형 배터리 또한 내부 구성 복잡도가 높아짐에 따라 레이저 실링이 검토되고 있습니다.

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3. 모듈팩 공정

개별 배터리 셀을 집성하여 모듈과 팩을 제작.

- 버스바 용접 : 여러개의 셀들을 전기적으로 직렬 연결하기 위해 버스바를 용접합니다. 일반적으로 얇은 알루미늄 버스바 또는 플레이트를 두꺼운 구리바에 중첩 용접합니다. 레이저는 얇은 알루미늄 포일을 손상시키지 않고 정밀한 완전 침투 용접을 수행합니다. 스패터가 발생을 최소화하는 공정 최적화를 통해 셀과 주변부가 손상되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

- 하우징 용접 : 배터리 모듈을 배터리 박스에 결합합니다. 경량화를 위해 5xxx 및 6xxx 계열의 고강도 알루미늄 합금이 주로 사용됩니다. 합금 자체의 기공과 고온에 의한 균열과 스패터를 억제하는 것이 중요합니다. 소재의 특성에 맞춰 최적의 레이저를 선정하고 균일한 에너지 분포를 유지하도록 하는 것이 중요합니다.

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