텍스켄 (Tekscan) ; 배터리의 제조 ; Battery Formation

진동, 소음 계측기 전문 업체 싸이러스㈜입니다.

2025년 4월부터 압력 매핑 전문 회사인 미국의 Tekscan사와 독점 대리점 계약을 하여 Tekscan 제품을 국내에 판매를 하고 서비스를 하게 되었습니다. (치과제품 제외)

오늘은 “배터리의 제조(Battery Formation)”를 소개하겠습니다.

 

Tekscan사의 I-Scan 장비는 배터리 설계, 연구 개발, 배터리 제조 및 생산을 위한 동적 압력을 측정, 시각화 및 평가합니다

자동차의 배터리, 그림 1

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배터리 형성 공정은 배터리 제조에서 매우 중요한 단계로, 배터리의 성능과 수명을 결정합니다. 이 공정은 원료의 초기 전기화학적 변환을 포함하며, 배터리의 효율성과 안정성을 좌우합니다. 제어된 충방전 사이클을 통해 배터리 셀은 필수적인 화학 반응을 거쳐 기능적 용량을 확립합니다. 에너지 저장 기술이 발전함에 따라, 다양한 산업 분야에서 내구성이 뛰어나고 고성능의 솔루션을 개발하기 위해서는 배터리 형성 공정을 최적화하는 것이 매우 중요해지고 있습니다.

 

텍스캔의 I-Scan 압력 측정 시스템은 배터리 제조 과정에서 엔지니어와 기술자에게 중요한 정보를 제공합니다. 이는 압력 매핑이 전력 혁신을 현실로 구현하는 데 도움이 되는 여러 방법 중 하나일 뿐입니다.

 

압력 매핑이 배터리 제조 공정을 개선할 수 있을까요?

배터리 제조 공정은 일반적으로 생산 비용의 30~32%를 차지하기 때문에*, 작은 효율성 개선만으로도 상당한 비용 절감을 가져올 수 있습니다. 압력과 온도를 최적화함으로써 제조업체는 제조 주기 시간을 몇 시간 단축하고 불량률을 줄일 수 있습니다.

 

형성 과정 중 균일한 압력을 유지하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

   • 형성 시간 단축 : 적절한 압력을 가하면 이온 이동 및 표면 반응을 촉진하여 형성 과정을 가속화할 수 있습니다. 이는 형성 시간을 단축시켜 생산 비용을 절감하고 생산량을 증가시킬 수 있습니다.

   • 탈기 공정 최적화 (애니메이션 다이어그램 참조). 형성 과정 중 압력이 균일하지 않으면 양극층에 가스가 생성될 수 있습니다. 형성 과정 전반에 걸쳐 균일한 압력 분포를 유지하면 원치 않는 가스 생성을 최소화할 수 있습니다.

   • 안정적인 고체 전해질 계면(SEI) 형성 보장 : 압력은 견고하고 효과적인 SEI 층 형성에 도움을 줍니다. SEI 층은 원치 않는 부반응을 방지하고 배터리 안정성을 향상시킵니다.

   • 균일한 전극-전해질 접촉 확보 : 적절한 압력 분포는 전극과 전해질 사이의 균일한 접촉을 보장합니다. 이는 배터리 전체에 걸쳐 일관된 이온 확산과 효율적인 전기화학 반응을 촉진하여 용량, 수명 및 전반적인 성능을 향상시킵니다.

   • 효율성 향상 : 배터리 제조 과정 초기에 불량 배터리를 식별하여 에너지 낭비를 방지하십시오.

   • 맞춤형 충방전 프로파일 : 압력 효과를 이해함으로써 다양한 배터리 종류에 맞는 최적의 충방전 프로파일을 구현할 수 있습니다. 배터리 수명을 유지하면서 최고의 성능을 제공합니다.

   • 향상된 에너지 및 전력 밀도 : 일정한 압력을 유지하여 전극 밀도를 균일하게 만듭니다. 이는 에너지 저장 용량 및 충방전 속도에 영향을 미칩니다.

   • 제조 일관성 : 배터리 성형 과정에서 일관된 압력 적용을 통해 배치 간 재현성과 일관성을 보장하여 최종 사용자에게 안정적이고 예측 가능한 배터리 성능을 제공합니다.

Battery Formation, 그림 2

 

배터리 셀, 모듈, 팩**

배터리 셀(Cell) ; 가장 작은 기본 단위 : 화학적 에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하는 단일 배터리(배터리 4대 요소: 양극, 음극, 분리막, 전해액 포함)입니다.

 

배터리 모듈(Module) ; 셀의 묶음 : 여러 개의 셀을 외부 충격, 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 프레임에 넣고 묶은 조립체입니다

 

배터리 팩(Pack) ; 최종 완성형 배터리 시스템 : 여러 개의 모듈에 배터리 관리 시스템(BMS) 및 냉각 장치 등을 통합하여 차량이나 기기에 장착할 수 있도록 만든 최종태입니다.

 

최근에는 공간 활용도와 에너지 밀도를 높이기 위해 모듈 단계를 생략하고 셀을 바로 팩에 장착하는 셀투팩(CTP, Cell-To-Pack) 기술도 널리 활용되고 있습니다

 

배터리 형성에 미치는 온도의 영향

Tekscan의 I-Scan 솔루션은 압력과 온도를 동시에 매핑할 수 있도록 지원하므로 기계적 하중과 열적 변화를 실시간으로 직접 연관시킬 수 있습니다.

형성 온도 상승의 영향:

• SEI 형성을 가속화하여 형성 시간을 단축.

• 확산 속도가 높아져 더욱 균일한 SEI 층이 형성.

• 내부 저항을 낮추세요

• 용량 손실 증가 가능성.

 

배터리 수명 주기에서 압력 모니터링은 여러 단계 중 하나일 뿐이며, 이 과정에서 중요한 통찰력과 가치를 제공할 수 있습니다. 소재 연구 개발, 하우징 설계, 스택 조립 및 제조 품질 보증 단계에서 압력 변화를 추적하는 것은 매우 중요한 차이를 만들어낼 수 있습니다.

 

원본을 보시려면 아래를 클릭하시기 바랍니다.

https://www.tekscan.com/applications/battery-formation

 

* 출처: iScience, 리튬 이온 배터리의 현재 및 미래 제조, 양타오 류, 2021년 4월 23일

** 출처: Google AI

 

TEKSCAN 5101 Pressure mapping Sensor

TEKSCAN사 5101 센서, 그림 3

 

자세한 내용을 원하시면 sales@cylos.co.kr, 031-251-1905로 문의를 주시거나, 싸이러스 홈페이지를 참고하시기 바랍니다.

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참고자료 (reference) :

1. 싸이러스 홈페이지 (https://www.cylos.co.kr)

2. 텍스켄 홈페이지 (https://www.tekscan.com/)

3. 싸이러스 네이버 블로그 (https://blog.naver.com/cylos_co)

4. 싸이러스 티스토리 블로그 (https://cylos.tistory.com/)

 

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