리튬이온 배터리 셀 생산을 위한 효율적인 솔루션
전극 생산에서 배터리 셀은 양극 포일과 음극 포일의 교번 층으로 구성됩니다. 소위 구분 기호로 구분됩니다. 그런 다음 포일 더미를 말아서 금속 하우징에 포장한 다음 배터리를 단단히 용접합니다.
당사의 품질 관리 시스템은 배터리 셀의 효율적인 생산을 보장하기 위해 다양한 공정 단계에서 사용됩니다. 여기에는 예를 들어 전극 포일 두께 측정, 절단 버 확인, 포일 층(포일-탭) 및 뚜껑이 있는 하우징(캡-캔)의 레이저 용접이 포함됩니다.
여기서 명확한 고객 요구 사항은 정확도: < 1 마이크로미터입니다. 당사의 센서는 이러한 요구 사항을 충족하며 소위 롤투롤 애플리케이션이라고 불리는 배터리 셀의 생산 환경에 최적화되어 있습니다.
• 높은 웹 속도
• 진동 전극 포일
• 광택이 있고 검은색 표면.
레이저 기술에서 캡-캔 레이저 용접은 중요한 응용 분야입니다. 여기서 목표는 핀홀을 감지하거나 기껏해야 핀홀을 완전히 방지하는 것입니다. 우리는 이러한 응용 분야에 맞게 제품과 광학 장치를 최적화하고 혁신적인 솔루션을 개발했습니다.
전극 생산의 제조 단계를 위한 솔루션
전극 호일의 정확한 코팅 두께는 배터리의 성능과 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 필수적인 역할을 합니다. 생산 공정에서 캐리어 필름은 먼저 슬러리로 연속 또는 간헐적으로 코팅된 다음 건조 채널의 층에서 용매가 제거됩니다.
두께 측정은 건조 공정 전후에 수행됩니다. 코팅은 건조하거나 젖은 상태일 수 있습니다. 즉, 표면이 반사, 검은색 또는 다공성인지 여부에 관계없이 항상 정확한 측정이 가능합니다. 진동과 벨트 속도의 영향은 보정됩니다. 필름의 파형과 두께를 정밀하게 분석하고 결과를 표시합니다. 현재 시장 요구 사항은 ± 0.5µm의 반복성과 함께 1µm 미만의 절대 정확도입니다.
슬롯 다이와 캐리어 호일 사이의 정확한 거리는 코팅의 품질과 배터리 셀의 성능에 필수적입니다. 이 거리는 일반적으로 100~300µm 사이입니다. 정확하게 조정되지 않은 거리는 코팅 두께, 코팅 폭, 원치 않는 에지 돌출 형성에 영향을 미칩니다.
실제 간격은 장비 설정중에 정밀하게 측정 및 조정할 수 있고 코팅 중에 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 코팅 두께 또는 에지 돌출도 측정과 함께 자동 제어 루프를 설정하여 시스템의 효율성을 크게 높이고 출력을 높일 수 있습니다.
엣지 상승은 도포된 슬러리의 경계에서 발생하며 특히 코일링 중에 전극의 추가 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 비대칭 와인딩으로 이어져 대량 취급 문제를 일으킬 수 있습니다.
배터리 셀의 성능을 높이기 위해 현재 코팅 두께를 늘리려는 시도가 이루어지고 있습니다. 그러나 코팅이 두꺼워지면 엣지가 과도하게 높아지는 경향이 있습니다.
당사의 라인 센서는 제조 공정에서 최대 20mm 길이의 엣지를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 습식 및 건식 엣지를 모두 감지할 수 있습니다. 호일의 진동은 공정에서 계산됩니다. 반사성 금속 캐리어 호일에서 검은색 슬러리로의 전환을 정밀하게 표시할 수 있습니다.
시작/끝 엣지는 간헐적 코팅 중에 발생합니다. 이 과정에서 슬러리는 캐리어 호일에 교대로 적용되거나 의도적으로 제외됩니다. 이러한 유형의 코팅에서는 시작/끝 엣지가 아주 도전적이기 때문에 배터리 셀의 긴 수명과 안전을 보장하기 위해 반드시 모니터링해야 합니다.
당사의 포인트 센서를 사용하면 표면 형태 프로파일을 정밀하게 측정할 수 있으므로 코팅 결함을 조기에 정확하게 감지할 수 있습니다.
전극 호일의 정확한 코팅 두께는 배터리의 성능과 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 매우 중요한 역할을 합니다. 생산 공정에서는 먼저 캐리어 호일에 슬러리를 연속적으로 코팅한 다음 건조 채널에서 열을 가하여 용매를 층에서 제거합니다. 캐리어 필름에 대한 슬러리의 높은 접착 강도를 보장하려면 5개의 건조 단계를 식별하는 것이 필수적입니다. 예를 들어 바인더의 이동을 방지해야 합니다. 최적화된 건조를 위해서는 기공이 완전히 없어지는 시간도 중요합니다.
당사의 센서는 건조 공정 중에 이러한 시점을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 건조 시간을 단축하고 코팅 품질을 최적화하며 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
전체 건조 공정 중에 정확한 두께 측정도 가능합니다. 습식 또는 건식 층, 블랙 또는 다공성 블랙 또는 음극 활물질에 관계없이 측정 결과는 정확하게 유지됩니다. 진동과 벨트 속도의 영향은 측정 중에 보정됩니다. 센서를 사용하면 건조 시간을 단축하고 코팅 품질을 최적화하며 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
캘린더링은 전극 생산의 마지막 공정 단계입니다. 이 단계에서 코팅의 최종 두께와 다공성이 본질적으로 결정됩니다. 이는 단위 면적당 무게 외에도 배터리 셀의 성능과 안전성에 결정적인 영향을 미치는 특성입니다.
당사의 센서는 캘린더링 공정을 종합적으로 측정할 수 있습니다. 캘린더링 전후의 전극 두께, 캘린더 롤러의 동심도 및 주름이 측정됩니다. 이는 기판의 코팅 엣지에 있는 주름입니다. 호일의 진동은 센서에 의해 보정되고 리플율이 계산됩니다. 따라서 분당 100~150m의 빠른 벨트 속도에서도 언제든지 정확한 측정을 수행할 수 있습니다.
캘린더링 중에 전극 호일은 압축, 즉 롤링됩니다. 이 공정 단계는 전극 호일의 최종 두께를 결정하여 배터리 셀의 안전성, 수명 및 성능을 결정합니다.
호일을 최적으로 압축하려면 압축 중에 두 캘린더 롤러 사이의 거리를 정밀하게 조정하고 모니터링해야 합니다. 두 롤러 사이의 거리는 롤러의 동심도가 아주 미세하게 편차가 나거나 롤러에 가해지는 이송력으로 인해 달라질 수 있습니다. 당사의 센서는 실제 간격의 가장 작은 변화도 정밀하게 측정할 수 있어 전극의 품질을 항상 최고 수준으로 유지하도록 보장할 수 있습니다.
캘린더 롤은 직경 1m 이상의 단단한 강철 롤로, 거울과 같은 표면을 정밀하게 연마하여 압연된 전극의 최고 품질을 보장합니다. 압연 표면의 결함과 동심도의 작은 편차는 전극 호일의 두께와 상태에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 캘린더 롤 표면의 마모와 동심도를 모니터링하는 것이 가장 중요합니다.
며, 당사의 센서는 이러한 품질 특성을 기록할 수 있습니다. 동심도에서 가장 작은 편차를 감지하고 롤 표면의 가장 작은 스크래치를 감지합니다.
롤링 힘과 코팅 및 호일 소재의 서로 다른 팽창으로 인해 롤링 후 주름이 생길 수 있습니다. 이러한 주름은 특히 전도성 호일과 코팅의 에지에서 발생합니다. 주름은 후속 생산 공정을 상당히 복잡하게 만들거나 심지어 불가능하게 만들기도 합니다.
당사의 센서 기술로 주름을 감지하고 그 크기를 측정할 수 있습니다. 주름이 너무 크면 재료는 불량이 됩니다. 롤링 파라미터를 조정함으로써 주름의 형성을 줄일 수도 있습니다.
분리막은 두 개의 전극 호일, 즉 양극과 음극을 분리하여 단락을 방지하는 역할을 합니다. 분리막은 전기 절연성이 있어야 하므로 일반적으로 다층 플라스틱, 때로는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 다공성으로 구성됩니다. 이러한 필름의 두께는 15~25µm이며 이물질에 의해 손상되지 않아야 합니다. 분리막에 구멍이 뚫리면 단락이 발생하고 화재 발화 위험이 높습니다. (열 폭주
) 당사의 센서를 통해 분리막의 두께와 무결성을 측정하고 개별 층의 두께를 확인할 수 있습니다.
배터리 셀의 안전성을 높이기 위해 전극에 절연층을 적용하는 경우도 있습니다. 이는 활성 물질 옆에 적용되는 세라믹 스트립으로 구성됩니다.
그 이유는 폴리프로필렌 분리막이 110°C의 온도에서 수축하고 심지어 150°C 이상에서도 녹기 때문입니다. 세라믹 스트립은 음극과 양극 사이의 단락 위험을 방지하여 전지의 안전성을 높입니다.
절연층의 표준 시장 두께는 3~10μm입니다. 최고의 품질과 효율적인 생산을 위해 롤-투-롤 공정에서 최대 150m/min의 빠른 스트립 속도에서도 인라인으로 측정됩니다. 예를 들어, 산화알루미늄(Al2O3)의 두께 프로파일을 표시하고 결함을 검출할 수 있습니다. 활성 물질과 세라믹 스트립 사이에 있을 수 있는 간격이 감지되고 활성 물질 위에 세라믹이 겹쳐 있는 것도 시각화할 수 있습니다.
셀 생산의 제조 단계를 위한 솔루션
레이저 절단을 통해 전극 호일을 최종 형상으로 만듭니다. 이것은 어레스터 러그가 있는 절단으로 구성되지만 원통형 4680 셀의 경우 직선 절단으로만 구성됩니다. 레이저 절단 시 열에 영향을 받는 영역과 절단 버는 가능한 한 작아야 합니다. 지능형 절단 광학장치를 통해 위치와 초점을 정밀하게 조정할 수 있으므로 최고의 절단 품질을 보장합니다. 또한 카메라와 포토다이오드 센서를 사용하여 절단 품질을 평가하고 추적합니다.
배터리 생산에서는 코팅된 구리와 알루미늄 호일을 분리하여 나중에 완전한 셀로 조립합니다. 100~250µm의 얇은 층을 가공할 때 레이저는 그 강점을 최대한 발휘할 수 있습니다. 기계적 분리 공정에서는 표면 코팅이 손상되는 경우가 많는 반면에, 레이저를 사용하면 코일-코일 공정에서 공작물을 접촉없이 가공할 수 있습니다. 공정 가스를 사용함으로써 가능한 입자가 아래쪽으로 배출되므로 재료 표면이 오염되지 않게 됩니다. 동적이고 정밀한 거리 제어를 통해 절단 에지의 높은 품질과 낮은 버 높이를 보장합니다.
분리막이 관통되면 단락이 발생하고 화재 발화 위험이 높습니다(열폭주). 세퍼레이터의 두께는 일반적으로 약 20 µm입니다. 따라서 약 10 µm의 절단 버를 감지하는 것이 가장중요합니다.
버를 측정하면 금속 호일의 기하학적 구조와 모양은 물론 기본 금속 호일을 포함한 코팅의 표면 형태도 확인할 수 있습니다. 작업 및 요구 사항에 따라 아래에서 또는 측면에서 버를 측정하는 데 다양한 기술이 사용됩니다. 따라서 롤투롤 시스템에 통합되어 버를 안정적으로 감지하여 슬리터(예측 유지보수) 또는 레이저 절단 품질에 대한 정보를 제공합니다.
배터리 셀은 안정적이고 강력한 배터리를 만들기 위해 함께 용접해야 하는 얇은 구리 호일과 알루미늄 호일(5~10 µm)의 여러 층으로 구성됩니다. 이 과정에서 보통 60~100개의 호일이 함께 용접됩니다. 원하는 배터리 용량과 성능에 따라 이러한 여러 층을 서로 겹쳐서 쌓습니다.
호일 스택을 용접할 때는 호일 스택에 대한 정밀한 클램핑 외에도 지능적인 용접 전략이 중요합니다. 이를 통해 첫 번째 필름부터 마지막 필름까지 왜곡이 거의 없고 번스루 없이 안전한 연결을 실현할 수 있습니다. 공정 모니터링 시스템을 사용하면 용접 이상과 미세한 편차를 감지하여 용접 이음새의 품질과 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 이는 궁극적으로 더 높은 생산량과 더 나은 제품 품질로 이어집니다.
캡-캔 레이저 용접은 금속 뚜껑(캡)을 금속 용기(캔)에 용접하는 작업입니다. 이러한 유형의 레이저 용접은 배터리 생산에서 전해질을 외부와 격리하고 액체의 누출을 방지하기 위해 자주 사용됩니다. 재료는 알루미늄 또는 니켈 도금 강철입니다.
캡-캔 레이저 용접은 원통형뿐만 아니라 각형 배터리 셀에도 사용됩니다. 두 경우 모두 용접 품질은 배터리의 성능과 신뢰성에 매우 중요합니다.
4680과 같은 대형 배터리 셀의 경우 캔의 진원도가 항상 100%가 되는 것은 아닙니다. 그러나 레이저 빔이 캔의 윤곽을 따라 가이드되는 것은 용접의 견고성을 위해 필수적입니다. ScanMaster로 실제 윤곽을 정확하고 빠르게 측정할 수 있으며 그에 따라 레이저 빔을 조정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 셀 내부에 용접되지 않아 고품질 용접 이음새를 얻을 수 있습니다.
캡-캔 레이저 용접의 일반적인 결함은 핀홀로, 용접 조인트의 누출로 이어질 수 있습니다. 레이저 용접 모니터로 큰 핀홀을 용접 이상 징후로 감지할 수 있습니다. 용접 이음새의 미세한 결함은 용접 이음새의 표면 형태를 측정하여 후공정에서 감지됩니다. 그러면 셀의 재작업이 가능하여 불량품을 줄일 수 있습니다.
배터리 셀을 조립하는 동안 전해질은 최적의 성능을 보장하기 위해 셀 내부에 균일하고 완전하게 채워지고 분배됩니다. 배터리 셀 외부에 전해액이 잔류하면 제품 안전성이 저하됩니다. 배터리 생산량이 많아질수록 생산 라인에서 배터리 셀 충전 측의 오염된 부분을 자동으로 감지하고 배출해야 할 필요성이 더욱 절실해집니다. 씰 핀 용접으로 알려진 후속 공정에서는 원통형 또는 각형 셀의 충전 개구부가 레이저로 씰 용접됩니다. 전해질의 잔류물은 용접 이음새의 품질에 영향을 미치고 용접 스패터로 인해 누출 또는 상당한 오염을 일으킬 수 있습니다. 그러면 셀에서 누출이 발생하여 불합격 처리됩니다.
배터리 셀에 전해질을 충전한 후 충전 구멍을 덮개로 막고 레이저 광선으로 단단히 용접합니다. 이렇게 하면 셀이 밀봉되어 전해액이 유출되는 것을 방지할 수 있습니다. 이렇게 해서 셀이 밀봉됩니다.
배터리 셀의 용접은 기밀 용접이기 때문에 매우 중요한 공정 단계입니다. 셀에서 누출이 발생하면 불량품이 됩니다. 불순물이나 스패터는 용접 부위에 미세한 누출을 일으킬 수 있습니다. 따라서 밀봉 핀을 정밀하게 스폿 용접하는 것은 셀이 밀봉된 상태로 유지되고 전해액이 누출되지 않도록 하는 데 매우 중요합니다. 목표는 왜곡없이 열 입력이 낮고 국부적으로 제한된 타이트한 이음매입니다. 각 개별 용접을 온라인으로 모니터링, 평가 및 문서화할 수 있습니다. 당사의 시스템은 불규칙성과 용접 결함을 감지합니다. 공정의 100% 추적성과 투명성이 보장됩니다.
다양한 애플리케이션을 위한 다양한 셀 유형
E-모빌리티에는 일반적으로 세 가지 유형의 리튬 이온 배터리가 사용됩니다. 배터리는 동일한 기능 원리에 따라 작동하며 긴 주행 거리를 보장하도록 에너지 밀도가 높습니다. 파우치 셀, 원통형 셀, 각형 셀이 사용되며, 이를 연결하여 배터리 모듈을 구성하여 필요한 전력을 공급할 수 있습니다. 하지만 이러한 셀 유형은 어떻게 다를까요?
