활성화 공정입니다. 활성화 공정은 흔히 배터리에 생명을 불어넣는 공정이라 말합니다. 배터리의 역할을 할 수 있도록 에이징 과정을 거칩니다. 에이징은 각 배터리 업체의 요구조건을 기준으로 정해진 온도, 습도에서 일정 시간 동안 보관을 의미합니다. 에이징 단계를 통해 배터리 내부에 전해액을 충분히 분산시켜 이온의 이동이 최적화 되도록 합니다. 에이징 과정과 충방전을 거치며 배터리를 활성화 시킵니다. 이 과정에서 불량셀을 가리기도 합니다.
활성화 공정은 배터리에 매우 중요한 공정입니다. 규모도 크고, 자동화 공정으로 이루어져 있습니다. 이런 활성화 공정에 대해 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
활성화 공정은 제조사별 차이가 있습니다. 고객의 요구에 따라 에이징 과정도 달라집니다. 그렇기에 큰 관점에서 정보를 전달하는 것을 목표하겠습니다.
S1 단계는 전지를 100% 충전시켜 활성화 기간 중 발생한 불량을 제거하기 위함입니다. 충전의 경우 정해진 조건에 맞춰 충전과 성능을 측정하게 됩니다.
활성화 기간 중 전지 음극 표면에 SEI(Solid Eletrolyte Interface) 필름이 형성됩니다. SEI 필름이란 리튬 이온과 다른 물질이 반응하는 것을 막아주는 역할을 하는 층입니다. 안정된 SEI는 리튬이온 이차전지의 수명을 향상시키는 역할을 하여 굉장히 중요합니다.
S2 단계는 완전 방전으로 전지의 용량을 선별하기 위함입니다. 또한, 전지 활물질의 불균일한 분포에 의한 불균일화를 방지하기 위함입니다.
S3 단계는 S1 단계보다 빠른 속도로 충전 테스트를 진행합니다.
S4 단계는 정해진 조건에 맞는 환경에 전지를 방치합니다. SEI 필름이 안정화되고 치우침이 없도록 재형성을 위한 과정입니다. 이 과정에서 디개싱 과정을 더 포함할 수 있습니다. SEI 필름 형성시 발생하는 가스를 제거하기 위함입니다.
S5 단계는 출하충전으로 일정 전위로 충전하는 과정입니다.
Toray에서 제공하는 2차전지 프로세스 과정을 참고하면 활성화 공정이 어떻게 거치는지 대략적으로 확인해볼 수 있습니다. 제조사별 차이가 있지만 충방전 과정과 에이징을 거치며 불량 배터리를 선별하고, 배터리를 안정화 시키는 프로세스를 거치는 것을 볼 수 있습니다.
활성화 공정은 자동화 시스템으로 이루어져 있습니다. 아래 영상을 참고하시면 대략적인 이동, 제조 프로세스를 확인할 수 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?time_continue=30&v=zR3O0Izj1Ts&feature=emb_title
위 공정에서 보이는 전체 Line을 설계하는 국내 기업으로는 피앤이솔루션이 있습니다. 피앤이솔루션은 배터리 타입에 맞는 최적화된 Line 설계를 하고있습니다. 관련 장비 또한 고객사의 요구사항에 맞춰 설계/제작합니다. 이러한 피앤이솔루션의 전체 활성화 공정의 Line을 살펴보며 위 영상에서 보이는 대략적인 설비의 역할을 자세히 나누어 각각의 설비의 역할에 대해 알아보겠습니다.
Formation
Formation이란 Li-ion, Polymer, Ni-MH 전지 등 전지의 생산공정 중 2차전지의 활성화(Formation) 공정에서 쓰이는 다채널 동시 시험 장비를 말합니다.
- 리튬이온 및 다양한 배터리 CELL의 화성설비
- 여러 채널을 동시 구동하여 양산라인에 적합
- MES 연동을 통한 자동 생산
- 자동, 반자동, 수동 측정부의 연동기능
- 실시간 제어를 통한 정확하고 빠른 제어
Aging Rack
Aging Rack은 화성 설비내 상온/고온 Aging시 Tray 적재 공간을 효율적으로 사용하기 위해 필요한 Rack 장비입니다.
IR/OCV는 2차전지 및 Capacitor의 개방회로 전압과 내부저항을 측정하여 Battery의 특성 파악을 할 수 있는 장비입니다.
IR/OCV
IR/OCV는 2차전지 및 Capacitor의 개방회로 전압과 내부저항을 측정하여 Battery의 특성 파악을 할 수 있는 장비입니다.
- 2차전지 및 Capacitor의 내부저항(Internal Resistance) 분
- 신속한 내부저항 스펙트럼 측정을 통한 Battery cell의 품질평가
- 개방회로전압(Open Circuit Voltage) 측정 기능
- 측정 주파수 고정(1Khz), 주파수 선택(Option) 가능
- 자동/반자동/수동 Multi 접점부 제공
- 측정시간 : 단일주파수(1KHz)에서 수 초 이내
- Multi 접점부를 제공하여 다채널의 시료를 신속하게 측정 가능 (양산라인)
- 측정 주파수 및 전류 가변이 가능하여 연구개발용 장비로 활용 가능
Selector
선별기는 충방전기 및 IR/OCV로부터 측정된 데이터를 바탕으로 배터리 셀의 양/불을 판정하는 장비입니다.
- 사전 양불 판정을 통한 Aging Process 내 안전성 향상
- 재작업이 필요한 배터리 자동 분류
- NG 종류(재작업, 폐기 등) 사용자 선택 가능
- 수동 배출 : NG 등급 Tray 만셀 시 알람
- 자동 배출 : 물류 장치 설치 및 배출 가능
- 안전 기능 : Door Interlock 기능
Grade equip
등급분류기는 화성공정 중 마지막 단계에서 각 설비로부터 얻는 Data를 기반으로 전지의 등급을 분류하는 장비입니다.
- 로봇을 이용한 정확한 등급 분류
- 고객이 요청하는 등급 수량으로 설계 가능
- 설계된 등급 수량 내에서 사용자 등급 수량 조절 가능
- 정전 30분 이내 설비 전원 ON 후 가동 시 작업 계속
- 수동 배출 : NG 등급 Tray 만셀 시 알람
- 자동 배출 : 물류 장치 설치 및 배출 가능
- 안전 기능 : Door Interlock 기능
Stacker Crane
Stacker Crane은 충방전기와 Aging Rack에 Tray를 수평·수직 이동하여 해당 설비의 정해진 위치에 입/출고시키는 설비입니다.
Conveyor Line
Conveyor Line은 Battery 자동 라인에서 전지가 담긴 Tray의 설비별 자동 이동을 위한 설비입니다.
Rolling equipment
Degassing 이전 과정에서 전지를 롤링을 하여 전지 내 재료를 밀착시켜 견고성을 확보하는 설비로써, 전지의 활성화 공정을 통해 발생하는 가스의 기포를 없애주며 전해액의 균일한 분포 및 함침 효과를 높일 수 있는 장비입니다.
- 전지의 견고성 확보
- 기포 제거 및 전해액의 균일한 분포
- 전지의 성능 및 수명 강화
- Roller Cleaning 기능 (사용자 주기 설정 가능)
- Rolling시 정전기 방지 기능
- 안전 기능 : Door Interlock 기능
Inspection System
Inspection System은 활성화 공정의 최종 단계에서 ACIR/OCV, Press, Cell Size, 무게, 두께, 쇼트 등을 측정·검사하는 시스템입니다.
- 전지 생산 최종 단계 자동 검사 설비
- 검사 결과를 취합하여 전지의 양/불 판정 및 분류
- 고객사 요청에 따른 검사 항목 추가 가능
- 사용자가 검사 항목 사용 유/무 선택 가능
- 검사 항목 : ACIR/OCV, Press, Cell Size 및 바코드 위치 검사,무게 측정, 두께 측정, 쇼트 검사
- 안전 기능 : Door Interlock 기능
IT System
각 설비의 공정 설정 및 Data 모니터링이 가능한 통합 IT System입니다.
- 통합 공정 설정 및 각 설비별 공정 설정 및 원격 모니터링 가능
- 사용이 편리한 공정 편집 및 수정 기능
- 공정 Data 및 Error Log 기반의 통합 모니터링 가능
- Battery Tray의 실시간 트래킹 가능
- 이상시 각 설비에 정지, 중단 등의 지령 전달 가능
- 정전시 Data 보호를 위한 UPS 설치
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양질의 내용으로 명확하고 간결하게 설명드리고 싶었습니다. 하지만 조사할수록 부족하다는 생각이 많이 듭니다. 앞으로 컨텐츠를 작성할수록 공부하여 양질의 자료를 제공해줄 수 있도록 노력하겠습니다.
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감사합니다.
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