스태킹

전기차 배터리 제조공정 비교

스태킹(stacking)은 배터리 소재를 일정 길이로 자른 후(notch) 이를 쌓는 방법으로 배터리를 만드는 기술이다. 말 그대로 배터리의 양극재, 음극재, 분리막이 합쳐진 개별 셀을 층층이쌓는 방식이다. 셀 수십개를 쌓아 올려 하나의 배터리를 완성하는데 이는와인딩 방식 대비 에너지 밀도와 내구성에 장점이 있다는 평가이다.

삼성SDI는 기존에 양극재, 분리막, 음극재를 둘둘 말아 각형이나 원통형 케이스에 넣는 와인딩 방식으로 각형 배터리를 만들어 왔으나 전기차용 5세대 각형 배터리에 스태킹 공정을 도입했다. 삼성SDI는 2021년 하반기에 스태킹 공정이 도입된 5세대 각형 배터리의 양산을 시작할 것으로 보인다.

개요

스태킹은 코팅이 끝난 여러개의 단일 극판을 분리막을 사이에 두고 층층이 번갈아가면서 쌓아 올리는 공정이다.

LG화학은 라미네이션&스태킹(스택&폴딩), 삼성SDI와 SK이노베이션은 Z-스태킹(지그재그) 방식을 채택하고 있다.

라미네이션&스태킹

배터리를 생산할 때 배터리 셀과 분리막을 접지 않고 그대로 쌓아올리는 방식으로 LG화학이 개발했다. 이 기술을 이용해 내부 공간 효율을 극대화함으로써 배터리 용량을 늘릴 수 있다. 이는 배터리 원재료인 양극재와 음극재 분리막이 합쳐진 개별 셀 수십 개를 쌓아올린 뒤 마지막에 분리막과 음극으로만 구성된 하프셀을 붙여 배터리를 제조하는 방식이다. 기존 업계에서 사용하던 와인딩(말기) 방식은 하나의 셀을 둥글게 말아 배터리 형태를 만든다. 배터리 틀 안에 남는 공간이 발생해 에너지 밀도가 낮고 오랜 시간 사용하면 배터리가 부풀어 오를 위험이 있다.

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) 과정을 반복한다.

Z-스태킹

Z-스태킹은 분리막을 지그재그로 겹겹이 쌓고 그 사이 사이에 양극재와 음극재를 넣는 방식이다. 삼성SDI와 SK이노베이션이 생산하고 있는 배터리 제조 공법은 지그재그 스태킹 방식으로 유사하다.

Z-스태킹, 스택앤폴딩

 

스태킹 공법 특징

스태킹 공정은 에너지 밀도가 낮다는 각형 배터리의 단점을 없앤다. 또 장시간 충·방전을 거듭하면 뒤틀림이 발생해 배터리가 부풀어 오르는 와인딩 방식의 배터리와 비교해 내구성이 뛰어나다. 또 적층 구조로 사각형의 배터리 케이스 공간을 최대로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

스태킹 방식은 배터리 구성 셀인 양극재, 음극재, 분리막을 일일히 쌓아 올려야 하기에 재단 작업부터 쌓는 작업까지 과정이 오래 걸리고 자동화 또한 쉽지 않아 생산율이 떨어졌다.

동영상

지그재그 스태킹 머신

참고자료

• 윤건일 기자, 〈삼성SDI 전기차 배터리 '스태킹' 방식으로 만든다…헝가리에 양산 라인 구축〉, 《전자신문》, 2020-06-07
• 주식왕, 〈2차전지 와인딩(winding)방식과 스태킹(stacking)방식의 배터리 차이는 무엇일까?〉, 《공모주왕》, 2019-01-14
• 〈래미네이션 앤드 스태킹〉, 《한경닷컴사전》
• 박소연 기자, 〈삼성SDI 배터리 '지그재그' 式 도입〉, 《아시아경제》, 2020-10-22
• 비의신, 〈(전기차, 이차전지) 배터리 제조 공정〉, 《네이버 블로그》, 2021-02-22

같이 보기

• 와인딩
• 젤리롤
• 배터리
• 에너지 밀도

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