리튬 배터리 권취기: 원리, 주요 공정 및 품질 관리 지침

리튬 이온 배터리 제조 공정은 일반적으로 여러 가지 방식으로 구분됩니다. 이 공정은 전극 제조, 조립 공정, 셀 테스트(아래 그림 참조)의 세 가지 주요 공정으로 나눌 수 있으며, 사전-바람권취 및 후공정을 구분하는 기준점은 권취 공정입니다. 권취 공정은 강력한 집적 기능을 통해 배터리 외관을 초기 성형품처럼 만들 수 있기 때문에 리튬 이온 배터리 제조에서 권취 공정은 핵심적인 역할을 합니다. 권취 공정은 압연 코어를 통해 생산되며, 흔히 베어 배터리 셀(Jelly-Roll, JR이라고도 함)이라고 합니다.

리튬 이온 배터리 제조 공정
리튬 이온 배터리 제조 공정에서 코어 권선 공정은 다음과 같습니다. 구체적인 작업은 양극, 음극, 그리고 절연 필름을 함께 감는 것입니다. 와인딩 머신바늘 메커니즘과 인접한 양극 및 음극 조각은 단락을 방지하기 위해 절연 필름으로 절연됩니다. 권선이 완료되면 코어가 떨어지지 않도록 마감용 접착지로 코어를 고정한 후 다음 공정으로 이동합니다. 이 공정에서 핵심은 양극과 음극 사이에 물리적 접촉이 없고, 음극 시트가 수평 및 수직 방향으로 양극 시트를 완전히 덮을 수 있도록 하는 것입니다.

권선 공정의 개략도
코어 권취 공정에서는 일반적으로 두 개의 롤핀이 두 겹의 다이어프램을 클램핑하여 예비 권취한 후, 양극 또는 음극을 차례로 공급하고, 권취를 위해 폴 피스를 두 겹의 다이어프램 사이에 클램핑합니다. 코어의 길이 방향으로는 다이어프램이 음극 다이어프램보다 위에 있고, 음극 다이어프램이 양극 다이어프램보다 위에 있어 양극과 음극 다이어프램 간의 접촉 단락을 방지합니다.

와인딩 니들 클램핑 다이어프램의 개략도

자동 권취기의 물리적 도면

권취기는 코어 권취 공정을 실현하는 핵심 장비입니다. 위 그림을 참조하면, 권취기의 주요 구성 요소와 기능은 다음과 같습니다.

1. 극편 공급 시스템: 양극 및 음극 극편을 가이드 레일을 따라 각각 AA 측과 BB 측 사이에 있는 두 겹의 다이어프램으로 전달하여 극편의 안정적인 공급을 보장합니다.
2. 다이어프램 풀기 시스템: 상부 및 하부 다이어프램을 포함하여 다이어프램이 와인딩 바늘에 자동으로 연속적으로 공급되도록 합니다.
3. 장력 제어 시스템: 권취 과정 중 다이어프램의 장력을 일정하게 제어합니다.
4. 권취 및 접착 시스템: 권취 후 코어를 접착 및 고정합니다.
5. 언로딩 컨베이어 시스템: 바늘에서 코어를 자동으로 분해하여 자동 컨베이어 벨트에 놓습니다.
6. 풋 스위치: 이상 상태가 없을 때 풋 스위치를 밟으면 권선의 정상적인 작동이 제어됩니다.
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 링크가 포함되어 있음을 알 수 있습니다.
바늘을 밀어 넣는 공정: 두 개의 바늘 롤이 바늘 원통을 밀어 넣는 작용으로 확장되어 다이어프램의 양쪽을 통과합니다. 슬리브에 삽입된 바늘 원통의 조합으로 두 개의 바늘 롤이 형성되고 바늘 롤이 다이어프램을 고정합니다. 동시에 두 개의 바늘 롤이 합쳐져 기본적으로 대칭 모양을 형성하여 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 빠지고, 바늘 장치의 볼이 스프링의 작용으로 바늘을 닫고, 두 바늘이 반대 방향으로 감겨지고, 바늘의 자유단 크기가 줄어들어 바늘과 코어의 내면 사이에 일정한 간격이 형성되고, 바늘이 고정 슬리브에 대해 수축되면서 바늘과 코어가 원활하게 분리됩니다.

바늘 추출 과정의 개략도

위에서 바늘을 밀고 당기는 과정에서 "바늘"은 권취기의 핵심 부품으로서 권취 속도와 코어의 품질에 상당한 영향을 미치는 바늘을 의미합니다. 현재 대부분의 권취기는 원형, 타원형, 그리고 평평한 마름모꼴 바늘을 사용합니다. 원형 및 타원형 바늘의 경우, 특정 호가 존재하여 코어의 극 귀가 변형될 수 있으며, 이후 코어 압착 과정에서 코어 내부 주름 및 변형이 발생하기 쉽습니다. 평평한 마름모꼴 바늘의 경우, 장축과 단축의 크기 차이가 크기 때문에 폴피스와 다이어프램의 장력이 크게 변동하여 구동 모터가 가변 속도로 권취해야 하므로 공정 제어가 어렵고 권취 속도가 일반적으로 낮습니다.

공통 권선 바늘의 개략도

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

평평한 마름모꼴 와인딩 바늘 회전의 개략도

따라서 권선 공정을 반경으로 OB, OC, OD, OE, OF, OG를 갖는 분할 권선으로 구분하고, 권선 바늘의 순환 회전 공정을 완전히 정량적으로 기술하기 위해 θ0, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7 사이의 7개 각도 범위에서 라인 속도의 변화만 분석하면 됩니다.

바늘 회전 각도의 개략도

삼각함수 관계에 기초하여 해당 관계를 도출할 수 있습니다.

위 방정식으로부터, 권취 바늘이 일정한 각속도로 감길 때, 권취의 선속도와 바늘의 지지점과 양극 및 음극편, 그리고 다이어프램이 이루는 각은 분절 함수 관계에 있음을 쉽게 알 수 있습니다. 이 둘 사이의 이미지 관계는 Matlab을 통해 다음과 같이 시뮬레이션됩니다.

다양한 각도에서의 권선 속도 변화

그림에서 평평한 마름모꼴 바늘의 권취 과정에서 최대 선속도와 최소 선속도의 비율이 10배 이상일 수 있다는 것은 직관적으로 명백합니다. 선속도의 이러한 큰 변화는 양극 및 음극과 다이어프램의 장력에 큰 변동을 초래하며, 이는 권취 장력 변동의 주요 원인입니다. 과도한 장력 변동은 권취 과정에서 다이어프램의 신장, 권취 후 다이어프램 수축, 그리고 코어 압착 후 코어 내부 모서리의 층 간격 감소로 이어질 수 있습니다. 충전 과정에서 폴피스의 팽창으로 인해 코어 폭 방향의 응력이 집중되지 않아 굽힘 모멘트가 발생하고, 이로 인해 폴피스가 변형되고, 준비된 리튬 배터리 결국 "S" 변형이 나타납니다.

"S" 변형 코어의 CT 이미지 및 분해도

현재, 권취 바늘의 형상으로 인해 발생하는 코어 품질 불량(주로 변형) 문제를 해결하기 위해 일반적으로 가변 장력 권취와 가변 속도 권취의 두 가지 방법이 사용됩니다.

1. 가변 장력 와인딩: 원통형 배터리를 예로 들어 보겠습니다. 각속도가 일정할 때, 선속도는 와인딩 층 수에 따라 증가하여 장력이 증가합니다. 가변 장력 와인딩은 장력 제어 시스템을 통해 권선 층 수의 증가와 선형 감소에 따라 폴피스 또는 다이어프램에 가해지는 장력을 조절합니다. 이를 통해 회전 속도가 일정할 때 전체 와인딩 과정의 장력을 최대한 일정하게 유지할 수 있습니다. 수많은 가변 장력 와인딩 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다.
가. 권취 장력이 작을수록 철심 변형 개선 효과가 커진다.
b. 일정 속도 권취 시, 코어 직경이 증가함에 따라 장력은 선형적으로 감소하며, 일정 장력 권취보다 변형 위험이 낮습니다.
2. 가변 속도 권선: 사각형 셀을 예로 들면, 평평한 마름모꼴 권선 바늘이 일반적으로 사용됩니다. 바늘이 일정한 각속도로 권선될 때 선형 속도가 크게 변동하여 코어 모서리의 층 간격에 큰 차이가 발생합니다. 이때, 회전 속도 변화 법칙을 역으로 적용하여 선형 속도 변화를 유도해야 합니다. 즉, 권선 각도 변화에 따라 회전 속도를 변화시켜 권선 과정의 선형 속도 변동을 최소화하고, 장력 변동이 작은 진폭 범위에서 발생하도록 해야 합니다.

간단히 말해, 권취 바늘의 모양은 극판의 평탄도(코어 수율 및 전기적 성능), 권취 속도(생산성), 코어 내부 응력 균일도(외관 변형 문제) 등에 영향을 미칠 수 있습니다. 원통형 배터리에는 일반적으로 원형 바늘이 사용되고, 사각형 배터리에는 타원형 또는 평평한 마름모꼴 바늘이 사용됩니다. 경우에 따라 원형 바늘을 사용하여 코어를 감고 평평하게 만들어 사각형 코어를 형성할 수도 있습니다. 또한, 많은 실험 데이터는 코어의 품질이 최종 배터리의 전기화학적 성능과 안전 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

이를 바탕으로, 우리는 리튬 배터리의 권취 공정에서 몇 가지 주요 우려사항과 주의 사항을 정리하여 권취 공정에서 부적절한 작업이 최대한 발생하지 않도록 하여 품질 요구 사항을 충족하는 리튬 배터리를 제조하고자 합니다.

코어 결함을 시각화하기 위해 코어를 AB 접착제 에폭시 수지에 담가 경화시킨 후, 단면을 절단하고 사포로 연마할 수 있습니다. 준비된 샘플을 현미경이나 주사전자현미경으로 관찰하여 코어의 내부 결함 분포도를 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 권취 장력과 관련이 있을 수 있으며, 장력이 너무 커서 극 조각 주름이 발생할 수 있으며, 이러한 종류의 결함은 배터리 계면이 악화되고 리튬 침전이 발생하여 배터리 성능이 저하됩니다.
(c) 그림에서 전극과 격막 사이에 이물질이 있습니다. 이 결함은 심각한 자가 방전을 유발하고 심지어 안전 문제를 일으킬 수 있지만, 일반적으로 내전압 시험에서 검출될 수 있습니다.
(d) 그림의 전극은 음극과 양극의 결함 패턴을 가지고 있어 용량 저하나 리튬 침전이 발생할 수 있습니다.
(e) 그림 속 전극 내부에는 먼지가 섞여 있어 배터리의 자가방전이 증가할 수 있습니다.

또한, 코어 내부의 결함은 일반적으로 사용되는 X선 및 CT 검사와 같은 비파괴 검사를 통해 특성화할 수 있습니다. 다음은 몇 가지 일반적인 코어 공정 결함에 대한 간략한 소개입니다.

1. 극편의 부적절한 피복: 국부적인 음극편이 양극편으로 완전히 피복되지 않아 배터리 변형 및 리튬 침전이 발생하여 잠재적인 안전 위험이 발생할 수 있습니다.

2. 극편의 변형: 극편은 압출로 인해 변형되며, 이로 인해 내부 단락이 발생하여 심각한 안전 문제가 발생할 수 있습니다.

2017년에 발생한 삼성 노트7 휴대폰 폭발 사건은 주목할 만한 사건으로, 조사 결과 배터리 내부의 음극이 압착되어 내부 단락이 발생하여 배터리가 폭발한 것으로 나타났으며, 이 사고로 삼성 전자는 60억 달러 이상의 손실을 입었습니다.

3. 금속 이물질: 금속 이물질은 리튬 이온 배터리 킬러의 성능 저하를 유발하며, 페이스트, 장비 또는 환경에서 발생할 수 있습니다. 입자가 큰 금속 이물질은 물리적 단락을 직접 유발할 수 있으며, 금속 이물질이 양극에 혼합되면 산화되어 음극 표면에 침착되어 격막을 뚫고 궁극적으로 배터리 내부 단락을 유발하여 심각한 안전 위험을 초래합니다. 일반적인 금속 이물질로는 Fe, Cu, Zn, Sn 등이 있습니다.

리튬 배터리 와인딩 머신은 리튬 배터리 셀을 와인딩하는 데 사용되는 장비로, 양극판, 음극판, 그리고 다이어프램을 연속 회전을 통해 코어 팩(JR: JellyRoll)으로 조립하는 장비입니다. 국내 와인딩 제조 장비는 2006년 반자동 원형 와인딩, 반자동 사각 와인딩, 자동 필름 생산에서 시작하여, 이후 복합 자동화, 필름 와인딩, 레이저 다이커팅 와인딩, 양극 연속 와인딩, 다이어프램 연속 와인딩 등으로 발전했습니다.

특히 Yixinfeng 레이저 다이 커팅 와인딩 및 푸싱 플랫 머신을 추천합니다. 이 머신은 첨단 레이저 다이 커팅 기술, 효율적인 와인딩 공정, 그리고 정밀 푸싱 기능을 결합하여 리튬 배터리의 생산 효율과 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다음과 같은 주요 장점을 가지고 있습니다.


1. 고정밀 다이커팅: 극편과 다이어프램의 정확한 크기를 보장하고, 재료 낭비를 줄이며, 배터리의 일관성을 향상시킵니다.
2. 안정적인 와인딩: 최적화된 와인딩 메커니즘과 제어 시스템은 견고하고 안정적인 코어 구조를 보장하고, 내부 저항을 줄이며, 배터리 성능을 향상시킵니다.
3. 고효율 레벨링: 고유한 레벨링 설계로 코어 표면을 평평하게 만들고, 내부 응력의 불균일성을 줄이고, 배터리 수명을 연장합니다.
4. 지능형 제어: 고급 인간-컴퓨터 상호작용 인터페이스를 갖추고 있어 정확한 매개변수 설정과 실시간 모니터링이 가능하며, 조작과 유지관리가 간편합니다.
5. 광범위한 호환성: 18, 21, 32, 46, 50, 60개의 모든 모델의 배터리 셀을 지원하여 다양한 생산 요구를 충족할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리 장비
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