🔋 배터리 셀 조립의 핵심! 와인딩(Winding) & 스택(Stacking) 공정 모든 것!🚀

배터리 제조 과정에서 조립 공정은 전극과 분리막을 조합하여 배터리 셀을 완성하는 단계로, 배터리의 성능과 안전성에 큰 영향을 미칩니다. 이 과정에서 사용되는 주요 기술 중 하나가 **와인딩(Winding)**과 스택(Stacking) 공정입니다. 이번 글에서는 두 공정의 정의, 작동 원리, 장단점, 그리고 스택 공정의 다양한 방식에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

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1. 조립 공정이란?

조립 공정은 배터리 제조에서 전극, 분리막, 전해질 등의 구성 요소를 조합하여 완전한 배터리 셀을 만드는 단계입니다. 이 과정은 전극과 분리막을 올바르게 배치하고, 셀 내에서 화학적 및 물리적 안정성을 보장하기 위해 필수적입니다. 조립 공정은 배터리의 최종 성능, 수명, 안전성에 큰 영향을 미치며, 각 요소가 정밀하게 결합되어야 효율적인 에너지 저장 및 방출이 가능합니다.
 

2. 조립 공정 중요성

1. 성능 최적화: 정확한 조립은 배터리의 전기적 특성을 최적화하여 에너지 밀도, 출력, 효율성을 향상시킵니다. 잘못된 조립은 전기 저항 증가, 비효율적인 전류 흐름 등을 초래할 수 있습니다.
2. 안전성 향상: 조립 과정에서의 결함은 단락이나 열폭주와 같은 위험을 증가시킬 수 있습니다. 특히, 전극과 분리막의 정확한 위치와 균일한 조립은 셀 내의 안전성을 보장합니다.
3. 제품 수명 연장: 균일한 조립은 셀의 내부 스트레스를 줄이고, 충방전 사이클 동안 물리적 변형을 최소화하여 배터리의 장기적인 안정성과 수명을 연장합니다.

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와인딩 vs 스택공법, 각형 셀 내 공간 활용도 차이 / 출처: https://www.linkedin.com/pulse/advantages-disadvantages-lithium-ion-battery-cell-assembly-alex-zhou

3. 와인딩(Winding) 공정 🌀

와인딩 공정은 양극판, 음극판, 분리막을 롤 형태로 감아 '젤리롤(Jelly Roll)' 구조를 만드는 방식입니다. 이 방식은 주로 원통형 셀과 각형 셀에서 사용됩니다.

• 작동 원리:
  1. 양극판과 음극판 사이에 분리막을 삽입합니다.
  2. 이 조합을 롤러를 이용해 감아 올립니다.
  3. 감긴 형태가 '젤리롤'처럼 보이며, 이를 금속 캔에 삽입해 밀봉합니다.
• 장점 🌟:
  • 생산 효율성: 와인딩 공정은 연속적인 작업이 가능하여 대량 생산에 적합합니다.
  • 비용 절감: 기계 설비와 공정이 단순하여 제조 비용이 상대적으로 낮습니다.
• 단점 ⚠️:
  • 공간 활용의 비효율성: 감긴 구조로 인해 내부 공간을 완벽하게 채우지 못해 에너지 밀도가 낮아질 수 있습니다.
  • 열 관리의 한계: 내부 공간이 밀폐되어 있어 열 방출이 어려워질 수 있습니다.
• 적합성:
  • 원통형 셀에 적합하며, 특정 각형 셀에서도 사용할 수 있습니다. 원통형 셀에서는 공간 효율성보다는 대량 생산성과 구조적 안정성이 중요하므로 와인딩 방식이 적합합니다.

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4. 스택(Stacking) 공정 🏗️

스택 공정은 양극판, 음극판, 분리막을 층층이 쌓아 올려 스택(Stack)을 만드는 방식으로, 주로 파우치형 셀과 각형 셀에서 사용됩니다.

• 작동 원리:
  1. 전극과 분리막을 순차적으로 층층이 쌓아 올립니다.
  2. 이 층을 외부 포장재로 감싸 밀봉하여 배터리 셀을 완성합니다.
• 장점 🌟:
  • 높은 에너지 밀도: 공간을 효율적으로 사용하여 셀의 에너지 밀도가 높아집니다.
  • 구조적 안정성: 층층이 쌓인 구조는 내구성이 높고 열 관리가 용이합니다.
• 단점 ⚠️:
  • 생산 속도: 각 층을 개별적으로 쌓아야 하므로 와인딩 방식에 비해 생산 속도가 느립니다.
  • 제조 비용: 정밀한 장비와 기술이 필요하여 초기 투자 비용이 증가할 수 있습니다.
• 적합성:
  • 각진 형태가 필요한 파우치형 셀 및 각형 셀에 적합합니다. 이러한 셀들은 공간 활용이 중요하며, 스택 공정은 이러한 형태에서 내부 공간을 최적화할 수 있습니다.

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스택, 와인딩 공법 공정 모식도// (좌) Z-folding stacking (중) Direct stacking (우) Winding

5. 스택 공정의 종류 🔍

• 스택(Stacking) 공정은 전극과 분리막을 층층이 쌓아 올리는 방식으로, 배터리의 구조적 안정성과 에너지 밀도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 스택 공정은 쌓는 방식에 따라 여러 가지로 분류되며, 각 방식은 배터리의 용도와 성능 요구에 따라 선택됩니다. 주요 스택 공정 종류는 다음과 같습니다:
  
  (1) 직접 스태킹(Direct Stacking)
  
  • 설명: 전극과 분리막을 하나씩 순서대로 쌓아 올리는 전통적인 방식으로, 각 층이 개별적으로 분리되어 있습니다.
  • 장점: 구조가 단순하여 설계가 용이하며, 다양한 셀 형태에 적용 가능합니다. 특히, 수작업으로도 쉽게 수행될 수 있어 소규모 생산이나 연구개발 단계에서 유용합니다.
  • 단점: 개별 층을 하나씩 쌓아야 하기 때문에 공정 속도가 느리고, 대량 생산에 비효율적입니다. 또한, 각 층 간의 일관성을 유지하는 것이 어려워 품질 변동이 발생할 수 있습니다.
  (2) Z-폴딩(Z-Folding)
  • 설명: 분리막을 지그재그 형태로 접으면서 그 사이에 전극을 삽입하는 방식으로, 연속적인 작업이 가능합니다.
  • 장점: 공정 속도가 빠르고, 자동화가 용이하여 대량 생산에 적합합니다. 분리막이 연속적으로 이어져 있어 전극의 위치를 일관되게 유지할 수 있습니다.
  • 단점: 분리막의 연속성이 요구되므로 고도의 품질 관리가 필요하며, 공정 중에 분리막이 손상되면 전체 구조에 영향을 미칠 수 있습니다.
  (3) 라미네이션 & 스태킹(Lamination & Stacking)
  • 설명: 전극과 분리막을 미리 결합하여 하나의 층으로 만든 후, 이를 여러 층으로 쌓는 방식입니다.
  • 장점: 공정이 효율적이고, 층간 결합이 강하여 구조적 안정성이 높습니다. 특히, 자동화된 공정에서 높은 생산성을 유지할 수 있으며, 품질 관리가 용이합니다.
  • 단점: 초기 설비 투자 비용이 높으며, 복잡한 장비가 필요합니다. 또한, 공정의 복잡성으로 인해 설정과 유지보수가 까다로울 수 있습니다.
  이러한 스택 공정 방식은 각각의 특성과 장단점을 바탕으로 배터리 제조에서 필수적인 요소입니다. 최적의 공정을 선택하는 것은 배터리 성능과 생산 효율성을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다.
  
  

라미네이션 & 스태킹 공정 모식도 / 1) 전극 시트 투입 2) 분리막 투입 4) 보호필름 투입 3) 라미 전 프리 히팅 5) 라미네이션 (여러개 필름을 하나의 필름으로 합치는 공정), 라미네이션 후 보호필름 회수

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6. 결론 🚀

와인딩과 스택 공정은 각각의 장단점과 특성을 가지고 있으며, 배터리의 용도와 요구 사항에 따라 적합한 공정을 선택하는 것이 중요합니다. 와인딩 공정은 원통형 셀에서 대량 생산성과 구조적 안정성에 적합하며, 스택 공정은 각형 및 파우치형 셀에서 높은 에너지 밀도와 공간 활용이 중요한 경우에 유리합니다. 이러한 공정 선택은 배터리 제조사와 제품의 최종 성능에 큰 영향을 미치므로, 신중한 접근이 필요합니다.