리튬 배터리 와인딩 머신: 원리, 핵심 공정 및 품질 관리 지침

리튬 이온 배터리 제조 공정에는 일반적으로 공정을 구분하는 방법이 여러 가지 있습니다. 공정은 전극 제조, 조립 공정 및 셀 테스트(아래 그림 참조)의 세 가지 주요 공정으로 나눌 수 있으며, 이를 사전 권선 및 사후 권선 공정으로 구분하는 회사도 있습니다. 이 구분점은 권선 공정입니다. 강력한 통합 기능으로 인해 배터리 외관을 초기 성형으로 만들 수 있으므로 리튬 이온 배터리 제조에서 권선 공정은 핵심적인 역할을 하며, 압연 코어로 생산된 권선 공정은 종종 베어 배터리 셀(Jelly-Roll, JR이라고도 함)이라고 합니다.

리튬이온 배터리 제조 공정
리튬이온 전지 제조 공정에서 코어 권선 공정은 다음과 같이 설명할 수 있다. 구체적인 작업은 권선기의 바늘 메커니즘을 통해 양극 극편, 음극 극편 및 절연 필름을 함께 감고, 인접한 양극 및 음극 극편은 단락을 방지하기 위해 절연 필름으로 절연된다. 권선이 완료된 후 코어는 코어가 떨어지지 않도록 닫는 접착지로 고정한 다음 다음 공정으로 흐른다. 이 공정에서 핵심은 양극과 음극 사이에 물리적 접촉이 없고, 음극 시트가 수평 및 수직 방향 모두에서 양극 시트를 완전히 덮을 수 있는지 확인하는 것이다.

권선 공정의 개략도
코어의 권선 공정에서 일반적으로 두 개의 롤 핀이 두 겹의 다이어프램을 클램프하여 사전 권선한 다음, 양극 또는 음극 극 조각을 차례로 공급하고, 극 조각은 권선을 위해 두 겹의 다이어프램 사이에 클램프됩니다. 코어의 종방향에서 다이어프램은 음극 다이어프램을 초과하고, 음극 다이어프램은 양극 다이어프램을 초과하여 양극과 음극 다이어프램 사이의 접촉 단락을 방지합니다.

와인딩 니들 클램핑 다이어프램의 개략도

자동 권선기의 물리적 도면

와인딩 머신은 코어 와인딩 프로세스를 실현하는 핵심 장비입니다. 위의 다이어그램을 참조하면 주요 구성 요소와 기능은 다음과 같습니다.

1. 극 조각 공급 시스템: 양극 및 음극 극 조각을 가이드 레일을 따라 AA 측과 BB 측 사이에 있는 두 겹의 다이어프램으로 전달하여 극 조각의 안정적인 공급을 보장합니다.
2. 다이어프램 풀기 시스템: 상부 및 하부 다이어프램을 포함하여 다이어프램이 와인딩 바늘에 자동으로 연속적으로 공급되도록 실현합니다.
3. 장력 제어 시스템: 권선 과정 중 다이어프램의 일정한 장력을 제어합니다.
4. 권취 및 접착 시스템: 권취 후 코어를 접착 및 고정하기 위한 시스템입니다.
5. 언로딩 컨베이어 시스템: 바늘에서 코어를 자동으로 분해하여 자동 컨베이어 벨트에 떨어뜨립니다.
6. 풋 스위치: 이상 상태가 없을 경우, 풋 스위치를 밟아 권선의 정상적인 작동을 제어합니다.
7. 인간-컴퓨터 상호작용 인터페이스: 매개변수 설정, 수동 디버깅, 경보 알림 및 기타 기능이 있습니다.

위의 권선 과정에 대한 분석에서 전기 코어의 권선에는 바늘을 밀고 바늘을 당기는 두 가지 불가피한 연결이 포함되어 있음을 알 수 있습니다.
바늘을 밀어 넣는 공정: 두 개의 바늘 롤은 바늘 실린더를 밀어 넣는 작용으로 확장되어 다이어프램의 양쪽을 통과합니다. 두 개의 바늘 롤은 슬리브에 삽입된 바늘 실린더의 조합으로 형성되고, 바늘 롤은 다이어프램을 고정하기 위해 닫힙니다. 동시에, 두 개의 바늘 롤은 합쳐져 기본적으로 대칭 모양을 형성하고, 코어 와인딩의 핵심이 됩니다.

바늘 밀어넣기 과정의 개략도

바늘 펌핑 공정: 코어 와인딩이 완료된 후, 바늘 펌핑 실린더의 작용으로 두 바늘이 수축되고, 바늘 실린더가 슬리브에서 인출되고, 바늘 장치의 볼이 스프링의 작용으로 바늘을 닫고, 두 바늘이 반대 방향으로 감겨지고, 바늘의 자유단의 크기가 줄어들어 바늘과 코어의 내부 표면 사이에 일정한 간격이 형성되고, 바늘이 고정 슬리브에 비해 수축되면서 바늘과 코어가 원활하게 분리됩니다.

바늘 추출 과정의 개략도

위의 바늘을 밀고 빼는 과정에서 "바늘"은 바늘을 말하며, 이는 권선기의 핵심 구성 요소로서 권선 속도와 코어의 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 현재 대부분의 권선기는 원형, 타원형 및 평평한 마름모 모양의 바늘을 사용합니다. 원형 및 타원형 바늘의 경우 특정 호가 존재하기 때문에 코어의 극 귀가 변형되고 이후 코어를 누르는 과정에서 코어의 내부 주름과 변형이 발생하기 쉽습니다. 평평한 마름모 모양의 바늘의 경우 장축과 단축의 크기 차이가 크기 때문에 극 조각과 다이어프램의 장력이 크게 달라져 구동 모터가 가변 속도로 권선해야 하므로 프로세스를 제어하기 어렵고 권선 속도가 일반적으로 낮습니다.

공통 권선 바늘의 개략도

가장 복잡하고 흔한 평평한 마름모 모양의 바늘을 예로 들면, 바늘이 감기고 회전하는 과정에서 양극 및 음극 극 조각과 다이어프램은 항상 B, C, D, E, F, G의 여섯 모서리 지점을 지지점으로 감싸고 있습니다.

평평한 다이아몬드 모양의 와인딩 바늘 회전의 개략도

따라서 권선 공정을 반지름으로 OB, OC, OD, OE, OF, OG를 갖는 세그먼트 권선으로 구분하고, θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7 사이의 7개 각도 범위에서 라인 속도의 변화만 분석하면 권선 바늘의 순환 회전 과정을 완전히 정량적으로 설명할 수 있습니다.

바늘 회전 각도의 개략도

삼각관계에 기초하여 해당 관계를 도출할 수 있습니다.

위의 방정식에서, 와인딩 바늘이 일정한 각속도로 와인딩될 때, 와인딩의 선형 속도와 바늘의 지지점과 양극 및 음극 극 조각과 다이어프램 사이에 형성된 각도는 분할 함수 관계에 있음을 쉽게 알 수 있습니다. 두 가지 사이의 이미지 관계는 Matlab으로 다음과 같이 시뮬레이션됩니다.

다양한 각도에서의 권선 속도 변화

그림에서 평평한 마름모 모양 바늘의 권선 과정에서 최대 선형 속도와 최소 선형 속도의 비율이 10배 이상일 수 있다는 것은 직관적으로 명백합니다. 선속도의 이러한 엄청난 변화는 양극과 음극 및 다이어프램의 장력에 큰 변동을 가져오며, 이는 권선 장력 변동의 주요 원인입니다. 과도한 장력 변동은 권선 과정에서 다이어프램이 늘어나고, 권선 후 다이어프램이 수축되고, 코어를 압착한 후 코어 내부 모서리에서 층 간격이 작아질 수 있습니다. 충전 과정에서 극 조각의 확장으로 인해 코어 폭 방향으로 응력이 집중되지 않아 굽힘 모멘트가 발생하여 극 조각이 변형되고 준비된 리튬 배터리는 결국 "S" 변형이 나타납니다.

"S" 변형 코어의 CT 이미지 및 분해도

현재, 권선 바늘의 모양으로 인해 발생하는 코어 품질 불량(주로 변형) 문제를 해결하기 위해 일반적으로 가변장력 권선과 가변속도 권선의 두 가지 방법이 사용됩니다.

1. 가변 장력 와인딩: 원통형 배터리를 예로 들면, 일정한 각속도에서 선형 속도는 와인딩 층 수에 따라 증가하여 장력이 상승합니다. 가변 장력 와인딩, 즉 장력 제어 시스템을 통해 권선 층 수의 증가와 선형 감소에 따라 극 조각이나 다이어프램에 적용되는 장력이 일정한 회전 속도의 경우 전체 와인딩 프로세스의 장력을 가능한 한 일정하게 유지할 수 있습니다. 많은 수의 가변 장력 와인딩 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었습니다.
a. 권선 장력이 작을수록 코어 변형 개선 효과가 더 좋습니다.
b. 일정 속도 권선 중 코어 직경이 증가함에 따라 장력은 선형적으로 감소하며 일정 장력 권선보다 변형 위험이 낮습니다.
2. 가변 속도 와인딩: 정사각형 셀을 예로 들면, 일반적으로 평평한 마름모 모양의 와인딩 바늘이 사용됩니다. 바늘이 일정한 각속도로 와인딩될 때, 선형 속도는 상당히 변동하여 코어 모서리에서 층 간격에 큰 차이가 발생합니다. 이때, 선형 속도 변화는 회전 속도 변화의 법칙을 역으로 공제해야 합니다. 즉, 와인딩 각도가 변화하고 변화하는 회전 속도를 실현하여 와인딩 공정의 선형 속도 변동을 가능한 한 작게 하고, 장력 변동이 작은 진폭 값 범위에서 발생하도록 해야 합니다.

간단히 말해서, 권선 바늘의 모양은 극 귀의 평탄도(코어 수율 및 전기적 성능), 권선 속도(생산성), 코어 내부 응력 균일성(외관 변형 문제) 등에 영향을 미칠 수 있습니다. 원통형 배터리의 경우 일반적으로 원형 바늘을 사용하고, 정사각형 배터리의 경우 일반적으로 타원형 또는 평평한 마름모 바늘을 사용합니다(어떤 경우에는 원형 바늘을 사용하여 코어를 감고 평평하게 하여 정사각형 코어를 형성할 수도 있음). 또한, 많은 양의 실험 데이터는 코어의 품질이 최종 배터리의 전기화학적 성능과 안전 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

이를 바탕으로, 우리는 리튬 배터리 권선 공정에서 몇 가지 주요 우려사항과 예방조치를 정리했으며, 권선 공정에서 부적절한 작업을 최대한 피하고, 품질 요구 사항을 충족하는 리튬 배터리를 제조하고자 합니다.

코어 결함을 시각화하기 위해 코어를 AB 접착제 에폭시 수지에 담가 경화시킨 다음, 단면을 절단하고 사포로 연마할 수 있습니다. 준비된 샘플을 현미경이나 주사 전자 현미경으로 관찰하여 코어의 내부 결함 매핑을 얻는 것이 가장 좋습니다.

코어의 내부 결함 맵
(a) 그림은 명확한 내부 결함이 없는 합격 코어를 보여줍니다.
(b) 그림에서 극 조각은 뚜렷하게 뒤틀리고 변형되었으며, 이는 권선 장력과 관련이 있을 수 있으며, 장력이 너무 커서 극 조각 주름이 발생하지 않으며, 이러한 종류의 결함은 배터리 계면이 열화되고 리튬 침전이 발생하여 배터리 성능이 저하됩니다.
(c) 그림에서 전극과 다이어프램 사이에 이물질이 있습니다. 이 결함은 심각한 자체 방전으로 이어질 수 있으며 심지어 안전 문제를 일으킬 수도 있지만 일반적으로 Hi-pot 테스트에서 감지할 수 있습니다.
(d) 그림의 전극은 음과 양의 결함 패턴을 가지고 있어 용량 저하나 리튬 침전이 발생할 수 있습니다.
(e) 그림 속 전극에는 내부에 먼지가 섞여 있어 배터리의 자가방전이 증가할 수 있습니다.

또한 코어 내부의 결함은 일반적으로 사용되는 X선 및 CT 검사와 같은 비파괴 검사로 특성화할 수도 있습니다. 다음은 일반적인 코어 공정 결함에 대한 간략한 소개입니다.

1. 극 조각의 부적절한 피복: 국부적인 음극 조각이 양극 조각으로 완전히 피복되지 않아 배터리 변형 및 리튬 침전이 발생하여 잠재적인 안전 위험이 발생할 수 있습니다.

2. 극편의 변형: 극편은 압출에 의해 변형되어 내부 단락을 유발하고 심각한 안전 문제를 초래할 수 있습니다.

2017년에 일어난 삼성 노트7 핸드폰 폭발 사건도 언급할 가치가 있습니다. 당시 조사 결과, 배터리 내부의 음극이 압착되어 내부 단락이 발생하여 배터리가 폭발한 것으로 나타났으며, 이 사고로 인해 삼성전자는 60억 달러 이상의 손실을 입었습니다.

3. 금속 이물질: 금속 이물질은 리튬 이온 배터리 킬러의 성능이며 페이스트, 장비 또는 환경에서 발생할 수 있습니다. 더 큰 금속 이물질 입자는 물리적 단락을 직접 일으킬 수 있으며 금속 이물질이 양극에 섞이면 산화되어 음극 표면에 침전되어 다이어프램을 뚫고 궁극적으로 배터리 내부 단락을 일으켜 심각한 안전 위험을 초래합니다. 일반적인 금속 이물질은 Fe, Cu, Zn, Sn 등입니다.

리튬 전지 권선기는 리튬 전지 셀을 권선하는 데 사용되는 장비로, 연속 회전으로 양극판, 음극판 및 다이어프램을 코어 팩(JR: JellyRoll)으로 조립하는 장비입니다. 국내 권선 제조 장비는 2006년에 반자동 원형, 반자동 사각 권선, 자동 필름 생산에서 시작하여 복합 자동화, 필름 권선기, 레이저 다이커팅 권선기, 양극 연속 권선기, 다이어프램 연속 권선기 등으로 발전했습니다.

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2. 안정적인 와인딩: 최적화된 와인딩 메커니즘과 제어 시스템은 견고하고 안정적인 코어 구조를 보장하고 내부 저항을 줄이며 배터리 성능을 향상시킵니다.
3. 고효율 레벨링: 독특한 레벨링 설계로 코어 표면을 평평하게 만들고, 불균일한 내부 응력을 줄이며, 배터리 수명을 연장합니다.
4. 지능형 제어: 고급 인간-컴퓨터 상호 작용 인터페이스를 갖추고 있어 정확한 매개변수 설정 및 실시간 모니터링, 간편한 조작 및 간편한 유지관리가 가능합니다.
5. 광범위한 호환성: 18, 21, 32, 46, 50, 60 모든 모델의 배터리 셀을 처리하여 다양한 생산 요구를 충족할 수 있습니다.

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