배터리 패키징(Battery Packaging)은 배터리 제조 공정에서 배터리를 밀봉하는 후공정을 말한다. 일반적으로 배터리 패키징은 셀→모듈→팩 과정으로 이어진다. 학술지 네이처(Nature)에 실린 '전기차 배터리 생산기술의 현 상황과 도전 과제'(Current status and challenges for automotive production technologies)를 보면 리튬이온 배터리 패키징에 들어가는 장비의 비중이 무게 기준 51%라고 분석했다. 부피 면에서도 패키징이 절반 가량을 차지한다고 하니 이들 패키징을 최소화하고 그 대신 셀을 더 채워넣는다면 같은 크기 배터리 팩이라도 에너지 밀도가 높아질 수 있다.[1]
중국의 전기차 기업 비야디의 배터리 혁신은 패키징에서 시작되었다. 배터리모듈 부분을 없애고 대신 배터리셀을 길쭉하게 칼날처럼 만든 블레이드 배터리로 화재 방지책을 내놨다.[2] BMW는 직접 배터리 설계를 담당하고 셀 생산은 CATL에 맡긴 후 모듈 및 패키징 작업을 다시 BMW에서 진행하고 있다. 테슬라가 방점을 찍고 있는 분야 역시 '설계' 및 '패키징' 이라는 점이다.[3]
각형, 파우치형, 원통형 배터리 모두 리튬이온 배터리를 서로 다르게 패키징한 것이다.
각형 배터리는 사각형 틀을 이용해 패키징한 형태이다. 주로 삼성SDI와 중국의 CATL의 주력 품목이다. 각형은 알루미늄 캔으로 만들었기 때문에 내구성이 좋고 모양 덕택에 팩 조립에 유리하다. 대량 생산시 공정단계가 파우치형보다 간소해 비용이 절감된다. 하지만 금속 케이스 때문에 무게가 많이 나가고 열 방출이 어려워 따로 냉각장치를 달아야 한다. 그리고 결정적으로 파우치형보다 에너지 밀도가 낮다. 파우치형을 100으로 가정하면 각형은 90정도 된다. 각형이 와인딩 방식으로 만들기 때문이다. 양극재, 분리막, 음극재 등 배터리 소재를 엮어서 돌돌 마는 기법이 와인딩(winding) 기법이다. 돌돌 말린 소재 조합물을 '젤리롤'이라 부르는데, 이는 각형 내부 공간을 완전하게 활용하기 어렵다. 이는 결국 주행거리가 더 짧다는 결론으로 이어진다. 때문에 각형이 와인딩 방식이 아닌 스태킹(stacking) 방식도 도입하고 있다.
파우치형은 LG화학과 SK이노베이션이 주력으로 제작하는 방식이다. 배터리 소재를 층층히 쌓고 그대로 패키징 하기 때문에 내부 빈 공간이 없다. 각형과 원통형에 비해 설계 자유도가 높다. 긴 모양, 짧은 모양, L 모양 등 전기차 업체의 다양한 요구사항에 대응이 가능하다. 현대 코나와 아이오닉 일렉트릭, 재규어 i 페이스, 쉐보레 볼트 EV, 볼보 XC60 플러그인 하이브리드 등 많은 업체들이 사용한다. 또 알루미늄 파우치로 패키징 하기 때문에 무게가 가볍고 에너지 밀도도 비교적 높다. 때문에 에너지를 장기간 안정적으로 낼 수 있는 장점도 있다. 하지만 각형과 원통형에 비해 생산 단가가 비싼 것이 약점이다.
원통형은 흔히 주변에서 가장 많이 볼 수 있는 형태다. 각형, 파우치형과 달리 표준화 됐다는 특징이 있다. 전기차에 주로 사용 중인 원통형 배터리는 지름 18mm, 길이 65mm의 는 '18650' 규격이다. 본래 노트북 배터리 위주로 시장을 형성해 온 가장 전통적인 방식의 배터리이기 때문에 가장 싸고 수급 안정성이 돋보인다. 다만 각형과 마찬가지로 젤리롤 와인딩 방식이기 때문에 비교적 에너지 밀도가 낮다. 일본 파나소닉의 주력 품목이며 미국의 테슬라가 대표적인 원통형 배터리 탑재 브랜드다. 모델S 90D는 7000개가 넘는 18650 배터리셀을 사용한다. 최근에는 용량과 크기를 업그레이드 한' 21700' 모델이 주목 받고 있다. 테슬라 모델3가 21700 배터리셀 약 3000개를 탑재한다.[4]
전고체 배터리는 셀→모듈→팩으로 이어지는 배터리 패키징 과정에서 안전성 관련 단계를 생략할 수 있다. 배터리 열을 식히는 냉각 시스템이 대표적이다. 셀 내부적으로도 구성이 달라진다. 고체 전해질이 양극과 음극 사이를 물리적으로 막고 있기에 양·음극을 갈라 놨던 분리막도 필요 없기 때문이다. 이 자리에 더 많은 양·음극 활물질(배터리 내 전기를 일으키는 반응을 담당하는 물질)을 채워 넣음으로써 에너지 밀도를 높일 수 있다.
전기자동차 수요가 늘어나면서 전기차 배터리셀을 패키징하는 배터리 패키지시장도 한층 치열해지고 있다. 현재 전기버스나 전기 건설방비, 특장차 등에 장착되는 배터리 패키지는 배터리 패키징업체들이 SK이노베이션이나 삼성SDI, LG화학 등으로부터 배터리셀을 공급받아 수작업을 통해 패키징 작업이 이뤄지고 있다.
현재 현대자동차는 자회사인 HL그린파워, 에디슨모터스는 에디슨테크를 통해 배터리셀 패키징 작업을 진행하고 있고, 나머지 국내 업체들은 배터리 패키징업체를 통해 공급받고 있다.[5]
배터리 조립공정[편집]
조립 공정은 전극과 원재료를 가공 및 조립해서 완성품을 만드는 공정이다 .
- 노칭(Notching, 단판 극판 제조), 스태킹(Stacking, 일정한 두께로 쌓음), 탭 웰딩(Tab Welding, 전류를 한 곳에 모음), 패키징(Packaging, 전지 밀봉), 디개싱(Degassing, 가스 불순물 분출) 등의 공정을 거쳐 최종 형상이 완성된다.
- 조립 공정에는 Notching, Stacking, Tab Welding, Packaging 등의 조립 장비가 사용되며 제조 업체로는 엠플러스 , 디에이테크놀로지, 엔에스 등이 있다 . 조립 장비 업체들은 최근 공정 전체를 한번에 공급하는 Turn-Key기반 수주를 확대하고 있다.[6]
동영상[편집]
- ↑ 경계영 기자, 〈미래기술25①안전성 물론 에너지 밀도까지…전고체 '꿈의 배터리'〉, 《이데일리》, 2020-10-26
- ↑ 이필상, 〈이필상의 아시아 기업 전성시대 <1> 미운 오리 ‘BYD’ 백조로 날게 한 ‘축적의 힘’ 분업 대신 종합적 접근이 이룬 배터리 혁신〉, 《이코노미조선》, 2021-02-22
- ↑ 드림수아, 〈2차전지 배터리 Weekly 설계 - Cell - 패키징으로 분화되는 산업〉, 《네이버블로그》, 2020-09-21
- ↑ 김상혁 기자, 〈(또다른 세계전쟁, 배터리) ④ 기술진화 끝이 없다...원료 공급도 OK〉, 《오피니언뉴스》, 2020-03-10
- ↑ 이상원 기자, 〈상용전기차 배터리 팩시장 장악나선 파워로직스, 제안. 설계에 자동화 생산라인 구축〉, 《M오토데일리》, 2020-02-04
- ↑ 넘버원, 〈2차전지 생산공정〉, 《네이버 블로그》, 2019-03-10
참고자료[편집]
- 경계영 기자, 〈미래기술25①안전성 물론 에너지 밀도까지…전고체 '꿈의 배터리'〉, 《이데일리》, 2020-10-26
- 이필상, 〈이필상의 아시아 기업 전성시대 <1> 미운 오리 ‘BYD’ 백조로 날게 한 ‘축적의 힘’ 분업 대신 종합적 접근이 이룬 배터리 혁신〉, 《이코노미조선》, 2021-02-22
- 이상원 기자, 〈상용전기차 배터리 팩시장 장악나선 파워로직스, 제안. 설계에 자동화 생산라인 구축〉, 《M오토데일리》, 2020-02-04
- 김상혁 기자, 〈(또다른 세계전쟁, 배터리) ④ 기술진화 끝이 없다...원료 공급도 OK〉, 《오피니언뉴스》, 2020-03-10
같이 보기[편집]
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