2차전지 장비 기술의 변화 : AI와 결합 (탭리스 배터리, 엔지니어TV)

탭리스 배터리 요약정리

 

✔ 기존 배터리 구조에서는 양극과 음극에 좁은 연결 밴드인 탭이 양쪽에만 위치하며, 이 탭은 배터리의 전력 전달 과정에서 병목 현상과 내부 저항, 열을 발생시킵니다.

 

✔ 새로운 탭리스 디자인은 양극과 음극의 전체 길이에 제한 없이 수많은 경로를 통해 전력이 흐르도록 구성됩니다.

 

✔ 이 디자인은 내부 저항을 50% 감소시켜 열이 적게 발생하고, 작동 시간을 71% 증가시킵니다.

 

✔ 2170에도 탭리스 기술이 높은 효율성을 보이기 때문에 이를 적용할 가능성이 높습니다.

 

 

 

 

 

 

2차전지 장비 기술의 변화?

 

엔지니어TV입니다. 2차전지 장비는 속도가 중요한데요. 이 장비의 기술은 2차전지 기술의 변화를 반영하는 중요한 지표입니다. 그래서 오늘은 중국 리드 회장 양친왕의 인터뷰 내용을 살펴보겠습니다.

 

24년 3월, 중국 리드 회장 양친왕 인터뷰 중요 내용을 보고자 합니다. '리드 인텔리전트 장비'는 매출 규모로 보면 세계 1위 배터리 장비 기업으로, 주로 CATL에 배터리 장비를 대부분 공급하는 기업입니다.

 

질문: 올해의 장비 기술의 성공에 대해 말하면 어떤 것이 있나요?

 

답변: 리튬 전지의 경우, 한 스테이션에서 시트 당 0.35초라는 현재 기록을 초과하는 업계 최고의 성능을 갖춘 차세대 절단 및 적층 기계를 성공적으로 개발했습니다.

 

여기서 나온 장비는 배터리 극판 적층 장비로, SK온의 Z 폴딩 스태킹 공법이 대표적인 기술로 보면 됩니다.

 

와인딩 공법을 체득한 원통형 배터리가 속도에서 선도하고, 전극을 쌓아 올리는 적층 스태킹 공법이 적용된 파우치와 각형 배터리의 생산성이 향후 업계의 구도를 좌우할 중요한 변수로 평가됩니다.

 

이와 같은 상황에서, 안전성이 높은 Z 스태킹 공법이 기술적으로 가장 유리한 것으로 보입니다.

 

[출처 : SK이노베이션, 인터배터리 2022에서 공개된 Z폴딩(스태킹) 기법 목엽]

 

한국의 3사 배터리 기업은 모두 Z 스태킹 공법 개발에 적극적으로 노력하고 있는 상황입니다. 이 공법의 주요 과제는 수율, 재고 및 생산성 향상입니다. 초당 생산량이 낮으면 배터리의 단가도 상승할 수밖에 없습니다. 또한, 낮은 수율은 해결해야 할 숙제입니다. 적층 과정에서 분리막이 접히거나 정렬이 엇나가는 등 불량이 발생하기 쉽습니다.

 

현재 업계에서는 Z 스태킹 공법의 수율이 약 80%로 추정되고 있으며, 향후 최소 90% 이상으로 끌어올려야 합니다. 선도 기업에서는 시트당 0.35초라는 생산성 지표를 보여주고 있습니다. 이러한 지표들은 기업 간의 경쟁력과 생산성의 차이를 드러내게 됩니다.

 

SK이노베이션은 배터리의 성능 향상과 생산성을 극대화하기 위해 제트 폴딩 기술을 지속적으로 개선하고 있습니다. 이 기술은 지그재그 형태의 분리막 사이로 양극과 음극을 교차 배치하여 셀 스트레스를 최소화하는 스태킹 적층 공법입니다.

 

이 공법을 통해 전기차의 주행 속도가 증가함에 따라 안전성을 높일 수 있습니다. 그러나 제트 폴딩의 단점으로 다른 생산 방식에 비해 특히 와인딩 생산 속도가 낮다는 점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 SK이노베이션은 지속적으로 최적화 시도를 하고 있으며, 1세대 대비 3세대에서 생산 속도를 2배 이상 높였습니다. 3세대 공법은 2018년에 완료되었으며, 최근에는 4세대 공법을 개발하기 위한 노력이 진행 중인 것으로 알려졌습니다. 이러한 노력은 생산 속도를 높이는 데 주력하고 있습니다.

 

[출처 : SK온, Z-폴딩 기술]

 

삼성SDI도 P5부터 Z 스테이킹을 핵심으로 채용하고 있습니다. 이를 통해 세계적으로 유명한 OEM을 위한 6세대 셀투팩 대량 생산 라인에서 다양한 핵심 프로세스를 성공적으로 구현했습니다.

 

한국에서 최근 적용된 기술 중 하나는 LG화학의 파우치 셀투팩입니다. 이를 위해서도 대량 생산을 위한 장비와 기술이 필요합니다.

 

최초로 탭 없이 350ppm을 생산하는 21시리즈 원통형 셀 생산 라인과 4680 기술을 적용한 탭리스를 2170 사이즈에 적용한 사례도 있습니다. 이러한 탭리스 기술은 4680에서 처음 소개되었으며, 이제는 2170 사이즈에도 적용되고 있습니다.

 

 

 

 

 

이는 탭 디자인과 탭리스 디자인을 도식적으로 보여주는 그림입니다.

 

 

기존 배터리의 내부에서는 각 개별 배터리 셀에 양극과 음극을 연결하는 좁은 연결 밴드, 즉 탭이 양쪽에만 존재합니다. 이러한 탭은 배터리가 전달하는 전력에 병목 현상을 일으키고, 셀의 내부 저항에 기여하여 열을 발생시킵니다.

 

반면 탭리스 디자인은 양극과 음극 전체 길이에 수많은 경로를 통해 전력이 흐를 수 있도록 하는 디자인입니다. 이 새로운 디자인은 각 셀의 내부 저항을 약 50% 감소시켜 배터리 팩 전체에 상당한 영향을 미칩니다. 결과적으로 열이 적게 발생하며 기존 배터리에 비해 최대 71%까지 작동 시간을 늘릴 수 있습니다.

 

2170 탭리스 원통형 배터리는 주로 파워툴에 많이 사용되고 있으며, 다양한 분야에서 탭리스 기술이 더 효율적임을 보여줍니다. 따라서 향후 2170의 생산 방식도 탭리스 구조로 전환될 가능성이 높습니다.

 

 

150ppm를 생산하는 46시리즈 원통형 셀 생산 라인 프로젝트를 성공적으로 마무리했고, 또한 첫 번째 기가 레벨 46시리즈 원통형 생산 라인을 해외 고객에게 공급했습니다.

 

이 기업은 이전에도 46시리즈의 생산 속도에 대해 여러 차례 설명한 바 있습니다. 속도가 150ppm이면 1라인 당 5기가 규모인데, 현재 한국 기업들의 생산 목표는 300ppm입니다. 이러한 속도에서 배터리 셀의 경쟁력이 형성됩니다.

 

 

 

 

 

또한, 다음 세대 장비 기술을 고려할 때 배터리 생산 분야와 일반 배터리 시장에서 현재 셀 생산을 최적화하기 위한 가장 유망한 기술은 무엇이라고 생각하시나요? 개인적으로는 프로세스 개선이 큰 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다.

셀 제조 과정과 매개 변수를 최적화함으로써 효율성을 향상시키고 비용을 절감하며 생산 품질을 보장할 수 있습니다. 이를 위해 AI와 디지털화를 도입하는 것도 좋은 기회일 것입니다.

 

지능형 제어 시스템을 도입함으로써 생산 라인의 안정성과 일관성을 향상시키고 생산 프로세스를 최적화하여 인적 오류를 줄여 수율과 가용성을 높일 수 있습니다. 또한, 생산 과정을 실시간으로 시각적으로 모니터링할 수 있습니다.

 

이러한 노력은 개별 생산 단계의 최적화를 촉진하고 전반적인 효율성을 향상시킬 것으로 기대됩니다. 이는 자동화와 AI의 결합으로 이루어질 것입니다.

 

또한, 배터리 산업의 미래 기술로는 최근에 고체 및 나트륨 이온 배터리가 주목받고 있습니다. 이러한 기술은 차세대 배터리 개발의 중요한 방향성이 될 수 있습니다. 현재, 리드는 완전히 독립적인 특허를 보유하여 셀부터 모듈 팩까지의 턴키 솔루션을 제공할 수 있는 세계 유일의 기업입니다. 리드는 파우치, 원통형, 각형 셀용 솔루션뿐만 아니라 나트륨 이온 전고체 배터리 장비 솔루션도 보유하고 있습니다.

 

이러한 상황에서 두 가지 방향, 즉 전고체와 나트륨 배터리 장비의 수요가 늘어나고 있는 추세입니다. 이러한 변화에도 주목해야 합니다.