젤리롤

배터리에 들어가는 젤리롤 이미지

젤리 롤 디자인을 보여주는 니켈 금속 수화물 배터리 내부

젤리롤(jelly Roll)은 가운데 흔히 잼을 채우고 케이크를 말아 올린 원형 롤케이크를 일컫는데, 배터리 모양이 꼭 이와 닮아서 붙여진 학술 명칭이다. 스위스롤(Swiss Roll)이라고도 한다. 와인딩(Winding)은 양극재, 분리막, 음극재 등 배터리 소재를 엮어서 돌돌 마는 기법이다. 돌돌 말린 소재 조합물을 젤리롤이라 부른다.

젤리롤 또는 스위스롤 디자인은 배터리의 단면이 스위스 롤처럼 생겼기 때문에 디자인이 이런 이름을 가지고 있다. 먹는 젤리롤 케이크처럼 리튬 폴리머 배터리 경우 가운데 '잼'과 유사한 고체물질이 들어가는데, 이를 폴리머라고 부른다. 최근에는 젤리롤 대신 스태킹 공법을 많이 활용한다. 생산성은 젤리롤이 뛰어나지만 에너지 밀도는 스태킹(Stacking)이 유리하다.

대부분의 기본 배터리는 기존의 로드 페이스트 튜브(rod-paste-tube) 설계를 사용하지만 이 설계는 기본(충전 불가능) 배터리에도 사용된다.

개요

젤리롤은 배터리 조립 공정에서 양극판과 음극판 사이에 분리막을 순서대로 쌓은 후 돌돌돌 말아주는 와인딩 과정 또는 양극판과 극판을 잘라서 차곡차곡 쌓아주는 스태킹 공정을 거쳐 만든 배터리의 중간 형태로 젤리롤이 들어 있는 캔에 전해액을 주입한 뒤 숙성시키면 배터리가 된다. 이렇게 만들어진 젤리롤은 원형과 각형의 경우 알루미늄 캔 속에 들어가게 되고 파우치의 경우에는 파우치로 감싼 뒤 밖으로 빠져나가지 못하게 용접 또는 봉합하고 전해액을 주입하면 조립 공정도 완성된다.

젤리롤을 사용하는 각형 배터리는 파우치형 배터리에 비해 공정 단계 수가 적어 대량 생산에 용이하다. 단점은 에너지 밀도가 낮아 상대적으로 한 번 충전했을 때 주행거리가 짧다는 것이다. 각형 배터리 케이스는 사각이지만 젤리롤은 원형이어서 내부에 공간이 많이 남는다는 점도 있다. 충방전을 반복하면 소재가 변형되는 스웰링(Swelling) 현상이 나타날 수도 있다. 배터리 용량이 커질수록 문제 소지가 크다. 젤리롤 길이가 길어져야 하는데, 이때 양극과 음극 정렬 상태가 틀어질 수 있다. 불량률이 높아진다. 이를 해결하기 위해 중간 용량 젤리롤 두 개를 이어붙이는 방안도 나왔다. 그러나 이 기술은 일본 GS유아사가 특허를 가지고 있다.

파우치형 배터리의 장점은 에너지 밀도가 높아 주행거리가 길다는 것이다. 파우치형 배터리는 젤리롤을 사용하지 않는다. 양극, 음극, 분리막 등 배터리 소재를 층층이 쌓아 내부를 채운다. 이후 양·음극 전극을 파우치에 얹어 접착시키고 파우치 안에 전해액을 주입하는 식으로 만든다. 파우치형 배터리는 소재를 쌓아 올리는 형태로 공간을 빈틈없이 꽉 채울 수 있다.

각형 배터리의 알루미늄 캔과 젤리롤

 

배터리 조립공정

• 양극판과 음극판을 잘 조립해, 우리가 사용하는 배터리의 형태로 만드는 단계

• 양극과 음극이 직접 만나게 되면 화재 발생

• 분리막을 넣어줌 -> 돌돌 말아(winding) -> 젤리롤(jelly Roll)

• (원형/각형의 경우) 캔에 젤리롤을 넣어줌

• (폴리머의 경우) 파우치로 감싼 뒤 밀봉

• 전해액 주입

배터리 조립공정

 

특징

• 장점: 제조원가가 싸고, 공정 속도가 빨라 생산성이 높다.
• 단점: 낭비되는 공간이 발생해 에너지 밀도가 낮고, 장시간 충방전을 거듭하는 경우 젤리롤의 뒤틀림 현상이 발생하면서 배터리가 부풀어 오를 수 있다.

참고자료

• "Jelly roll (battery)", Wikipedia
• 신현규 기자, 〈디바이스 "양극 음극 만나면 강력한 화학작용, 배터리의 세계"〉, 《매일경제》, 2017-02-06
• 이종화 기자, 〈각형 파우치형 원통형…배터리 모양 전쟁 불붙었다〉, 《매일경제》, 2021-03-28
• 이수환 기자, 〈삼성SDI, 전기차 배터리 생산공정 확 바꾼다〉, 《디일렉》, 2018-11-27

같이 보기

• 와인딩
• 스태킹
• 배터리

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