배터리는 어떻게 만들어지나요?

배터리의 구조와 작동원리

배터리는 셀 내부에서 일어나는 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생산합니다. 그 반응을 수행하는 열쇠는 전자의 움직임이다. 전자는 이동하는 동안 전기를 생성하는 음전하를 띤 입자입니다. 이 흐름은 도체로 작용하는 두 가지 다른 금속을 사용하여 가능합니다. 금속을 함께 배선하면 금속 사이에서 전자의 움직임이 시작되는데, 이는 음극과 양극이라고 하는 금속에 의해 전자가 끌어당겨짐으로 인해 발생합니다. 전자는 항상 음극에 의해 더 강하게 당겨집니다. 배터리 내부의 금속은 전해질이라고 하는 전자를 전도할 수 있는 물질로 상호 연결되어 있습니다. 전기 자동차는 상호 연결된 셀로 구성된 배터리를 사용합니다. 사용되는 전원 시스템은 주로 사용 수명, 화학 성분 및 중량에 따라 서로 다릅니다. 전기 자동차 배터리 시장은 역동적으로 변화하고 있습니다. 현재 리튬 이온 배터리는 가장 인기 있는 유형입니다. 그들의 생산은 복잡하고 각 단계에서 최고의 품질을 요구합니다. 가장 널리 사용되는 리튬 이온 배터리는 셀이 니켈, 코발트 또는 망간과 같은 금속을 기반으로 하는 배터리입니다. 전기 자동차용으로 가장 일반적으로 선택되는 리튬 이온 배터리 유형에는 리튬-니켈-코발트-망간(NMC) 배터리가 포함됩니다. 리튬-망간(LMO), 리튬-인산철(LFP) 및 리튬-니켈-코발트-알루미늄(NCA) 배터리는 관심이 훨씬 낮습니다.

배터리는 어떻게 만들어질까요?

리튬 이온 및 기타 셀의 제조는 복잡성과 고도의 자동화가 특징입니다. 배터리 생산은 유형에 따라 다르지만 주요 단계와 프로세스는 비슷합니다. 간단히 말해서 전체 제조 프로세스는 세 가지 주요 "블록"으로 나눌 수 있습니다.

1. 전극 생산

생산되는 배터리의 형식과 모양에 관계없이 첫 번째 단계는 전극을 만드는 것입니다. 이 단계에서는 서로 다른 물질 간의 교차 오염을 피하는 것이 중요하므로 실제로는 음극을 생산하는 별도의 라인과 양극을 생산하는 별도의 라인이 있습니다. 양극은 흑연으로 덮인 구리 호일로 만들어지고 음극은 선택된 금속으로 코팅된 알루미늄 호일로 만들어집니다. 가장 중요한 생산 단계는 다음과 같습니다.

• 혼합은 분말(활성 물질)과 용매 및 바인더 역할을 하는 기타 화학 물질의 혼합인 소위 현탁액을 생성하는 것으로 구성됩니다.
• 코팅 및 건조: 준비된 현탁액을 코팅 영역으로 펌핑하여 금속 호일에 도포합니다. 그런 다음 호일을 건조 스토브로 보내면 용매가 증발하고 활성 물질이 호일에 부착됩니다.
• 캘린더링 – 코팅된 롤을 마무리하는 공정. 롤을 호일에 대고 눌러 재료를 적절하게 압축하여 안정적인 두께와 밀도 및 더 나은 접착력을 유지하는 두 개의 가열된 요소 사이를 이동합니다.
• 절단 – 금속 호일은 생산할 전극에 적합한 크기의 여러 작은 조각으로 절단하는 칼 시스템을 통과합니다.

2. 셀 조립

셀 조립은 전극의 열화 및 효율 저하를 유발할 수 있는 수분 형성을 방지하기 위해 건조한 환경이 필요합니다. 이 단계에서 전극을 절단하여 케이싱에 넣습니다. 셀 조립에는 다음 단계가 포함됩니다.

• 절단 – 절단 공정 중에 직사각형 전극이 생성됩니다. 절단은 기계적으로 또는 레이저로 수행됩니다.
• 배열 – 배터리 케이스에서 전극은 양극, 분리막, 음극으로 번갈아 배열됩니다. 가장 인기있는 방법은 스타킹입니다.
• 조립 – 적절하게 배열된 전극이 용접으로 메인 클램프에 연결되고 부착됩니다. 이렇게 생산된 전극이 있는 전지는 포장재에 넣고 밀봉하여 전해질을 채우기 위해 열린 가장자리를 남깁니다.

3. 성형 및 품질 관리

그런 다음 조립된 배터리는 컨디셔닝 단계를 거칩니다. 이것은 셀이 처음으로 충전되고 품질과 효율성을 입증하기 위한 다양한 테스트를 거치기 때문에 생산의 중요한 순간인 경우가 많습니다. 배터리 형성의 마지막 단계에는 사전 충전, 탈기 및 고온에서의 노화가 포함됩니다. 마지막 단계가 완료되면 장치를 다른 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다. 전기 자동차는 리튬 이온 배터리로 구동됩니다. 다른 배터리 유형에 비해 한 번 충전으로 더 많은 마일을 주행할 수 있기 때문에 가장 인기 있는 배터리 유형 중 하나입니다. 그들의 제조 공정은 가장 일반적인 리튬 배터리의 제조 공정과 매우 유사합니다. 전기 자동차 배터리의 특징은 이른바 모듈을 구성하는 여러 개의 리튬 이온 셀을 직렬로 연결하여 구성한다는 것입니다. 배터리의 각 모듈에는 직렬로 연결된 몇 개에서 10개 이상의 셀이 포함되어 있습니다. 그런 다음 모듈을 함께 용접하여 품질 관리를 받는 배터리 팩을 형성합니다.

배터리 생산용 원료

가장 널리 사용되는 에너지 저장 시스템에는 리튬 이온 배터리가 포함됩니다. 이러한 세포의 생산은 복잡하며 각 단계에서 최고의 품질을 요구합니다. 중요한 문제는 완성된 배터리가 시장 수요와 소비자 요구 사항을 완전히 충족할 수 있는 생산용 원자재를 선택하는 것입니다.

궤조

배터리 생산에 가장 중요한 원료는 금속, 주로 리튬, 카드뮴, 니켈, 철, 아연 및 망간을 포함합니다. 후자는 리튬 이온 배터리를 생산하는 데 가장 널리 사용되는 재료입니다. 배터리 생산에 사용되는 다른 원소는 마그네슘과 알루미늄 (전극)으로, 높은 표준 전위와 전기화학적 등가로 인해 사용됩니다. 추가적인 이점은 상대적으로 저렴한 가격과 높은 가용성입니다. 따라서 아연으로 만든 대중적인 전극을 이상적으로 대체할 수 있습니다. 배터리에 적용되는 또 다른 금속은 은으로, 높은 에너지 밀도로 안전한 셀을 생산할 수 있습니다. 또한 은을 사용하면 예를 들어 카드뮴에 비해 더 높은 배터리 전압을 얻을 수 있습니다.

금속 산화물

배터리의 전극(음극 및 양극)은 금속으로만 만들어진 것이 아닙니다. 산화 망간(IV) 또는 산화 아연과 같은 금속 산화물도 사용됩니다. 리튬 이온 배터리의 활물질은 일반적으로 리튬이며 코발트, 망간, 니켈, 바나듐 또는 철과 같은 금속과 결합된 산화물 형태로 가장 일반적으로 발생합니다.

전해질

전해질은 전극 사이에서 전자의 자유로운 흐름을 가능하게 하는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소입니다. 전해질은 주로 염화암모늄, 염화아연 또는 과염소산마그네슘과 같은 하나 이상의 염을 용해하여 생성되는 유기 물질의 수용액 또는 용액입니다. 알카라인 배터리에서는 수산화칼륨이 전해질로 사용됩니다. 비닐렌 카보네이트는 또한 일반적으로 리튬 이온 배터리용 전해질을 생산하기 위해 선택됩니다. 동적으로 성장하는 배터리 및 축전지 부문에 특히 중요합니다. 고순도 비닐렌 카보네이트 (최소 99.99%)는 모든 산업을 위한 화학 물질 및 원자재의 선도적인 제조 및 공급업체 중 하나인 PCC 그룹 의 광범위한 제품 범위에서 사용할 수 있습니다.

석묵

흑연 또는 분말 탄소는 전극 생산의 핵심 원료입니다. 일부 배터리의 구조에는 회로에서 유입되는 전자를 "수집"하여 음극에 분산시키는 흑연 막대가 포함됩니다. 또한, 흑연의 구조는 전기화학 반응 중에 생성되는 가스의 추출을 용이하게 합니다.

플라스틱

폴리에틸렌 이나 폴리프로필렌 과 같은 플라스틱은 배터리 분리막 생산에 적용되는 우수한 소재입니다. 그들은 양극에서 음극을 분리합니다. 플라스틱은 또한 배터리의 코팅 및 케이스를 만드는 데 사용됩니다.