D28. 전지 조립공정과 활성화 공정
전지의 조립공정은 절단(slitting) 된 전극으로부터 전해액을 투입하기 직전 단계까지의 조립체를 완성하는 단계이다. 조립공정은 권취형과 적층형에 따라 다른 경로를 거치게 된다. 먼저 원통형 또는 각형 전지에 주로 사용되는 권취형의 조립은 전지의 규격에 맞게 절단되어 온 전극 롤에서부터 시작된다. 양극과 음극 사이에 분리막을 위치시킨 것을 태엽 식으로 말아 캔 속에 넣는 과정이다. 전극에 리드선을 용접한 후 양극/분리막/음극/분리막의 순서로 겹쳐서 원통형으로 말아서 전극 조립체인 젤리 롤(jelly roll)을 형성한다. 양극 롤과 분리막 롤, 음극 롤을 순차적으로 배치한 후에 동시에 필요한 길이까지 감아주게 된다. 이러한 과정을 권취 (winding)라 한다.
원통형의 경우 작은 원을 중심으로 소용돌이 형태로 말려지게 되며, 각형의 경우 얇은 판의 형태에서 권치가 시작되어 원형이 아닌 긴 직사각형 형태로 권취가 이루어진다. 권취하여 만들어진 전극 조립체는 캔에 삽입하여 음극 리드선을 캔의 하단부에 용접한다. 다음에 전해액을 주입한 후, 양극 리드선을 캡에 용접하고 개스킷과 함께 캡을 씌워서 밀폐한다. 캔은 일반적으로 스틸 캔이 사용되나 경량화하기 위하여 알루미늄 캔이 사용되는 때도 있다. 다만 알루미늄 캔을 채용할 때는 캔에 양극을 연결하여야 한다. 전극 조립체의 제조공정에서 주변에 접착테이프를 감아서 소자가 풀리는 것을 방지하고 있지만, 전해액의 영향으로 테이프의 접착력이 노화하기 때문에 풀리는 현상이 발생할 수 있다. 흑연을 음극으로 사용하는 경우 리튬이 삽입되는 충전 과정 중에 층간의 확대로 인해 음극에서 부피 팽창이 일어나 빈틈이 완전히 채워지기 때문에 특별한 문제가 발생하지 않는다.
적층형(stack-type)의 경우에는 특정한 크기로 전극을 절단하여 음극/분리막/양극/분리막/ 순으로 적층 해가는 형태이다. 우선 전극을 필요한 크기로 절단하는 공정을 거치게 되는데 이 공정을 타발 공정이라고 부르고 있다. 전극 절단 과정에서는 전극의 리드선을 용접할 수 있도록 전극이 코팅되지 않은 무지부를 포함하여 절단이 이루어져야 하므로 코팅된 전극의 절단 시에 유의하여야 한다. 절단된 전극은 분리막과 함께 전극 조립체를 제조하는데 이는 여러 가지 형태가 존재하며 업체에 따라 다른 형태를 가지고 있다. 긴 분리막에 절단된 전극을 위치에 맞게 배치한 후 감아서 적층형 전지 조립체를 제조하는 방법 즉 폴딩 방식이 있다. 또는 분리막 역시 전극보다 일정하게 넓은 형태로 절단한 후에 전극과 함께 순차적으로 적층 하는 스택 방식 있다. 이 두 가지 방식을 혼합한 스택 앤드 폴딩 방식도 사용되고 있다. 전극 조립체가 완성되면 전극에서 전극 층이 코팅되지 않은 부위가 일정하게 튀어나오게 되며 그 부위에 금속성의 전극 탭을 용접하여 전극 조립체를 완성한다. 이같이 완성된 전극 조립체를 금속박에 고분자층을 코팅하여 제조된 파우치에 넣고 파우치를 열융착하여 밀봉한 후에 전해액을 주입하게 된다.
전지의 활성화 공정은 조립공정 이후에서 전해액이 주입되고 최종 전지를 완성하는 단계를 뜻하며, 후공정이라고도 불리고 있다. 후공정에서는 먼저 전해액을 주입하고, 전지를 부분적으로 충전하여 음극에서 부동태 막(SEI)을 형성하면 불가피하게 생성되는 가스를 사전에 생성시키고, 안정화하며 발생 가스를 제거하고 최종적으로 밀봉 후 평가하는 과정을 포함한다. 전지를 안정화하기 위해서 후공정 기간을 충분히 잡아주는 게 좋고 불량의 검출 빈도를 높일 수 있으나 공정기간의 증가는 장비, 창고 등 감가상각비의 발생과 자금의 회전율 감소시키고, 고객에게 납품할 시기의 지연 등이 발생하기 때문에 가능한 한 빠른 기간이 경제적으로는 유리하다.
활성화 공정은 우선 전해액을 조립체에 집어넣는 전해액 주입공정(electrolyte filling)으로부터 시작된다. 전해액을 주입한 후에는 전해액이 전극과 분리막을 충분히 적셔줄 수 있도록 일정 시간을 보관하게 된다. 전해액이 충분히 적셔지게 되면 전지를 부분적으로 충전하는 화성(formation) 공정을 진행하게 된다. 화성 공정에서는 부분적으로 충전하면서 음극에 SEI를 생성시키게 된다. 음극에서 생성되는 SEI는 전지의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 최적의 조건을 찾아서 화성 공정을 진행하여야 한다.
일반적으로 느린 전류로 화성 공정을 진행하는 것이 더 우수한 전지 성능을 보이는 것으로 알려져 있으나 느린 전류를 사용할 경우 목적하는 충전 상태(state of charge, SOC)까지 도달하는데 시간이 증가하기 때문에 화성 공정에 사용되는 충•방전기의 활용도가 저하되므로 동일한 전지를 생산하기 위해서는 충•방전기가 더 많이 필요하므로 초기 투자비가 증가하는 문제가 있고, 생산 속도도 저하된다. 또한 충분히 SEI를 만들어주기 위해서 일정 수준 이상의 SOC까지 높여야 하지만 화성 공정에서 충전을 진행하는 SOC가 높을수록 장비 효율성이 낮아지게 된다. 화성 공정 이후에는 생성된 SEI를 안정화하고 전지의 상태를 파악하여 불량을 검출할 수 있도록 숙성(aging)을 시켜야 한다. 이 공정은 상온 및 고온에서 진행하게 되는데, 고온에서 숙성시키면 더 빠르게 안정화시켜 공정기간을 단축할 수 있다. 그러나 고온 공정에서도 60℃ 이상의 온도는 일반적으로 사용하지 않는데 이는 전지의 성능퇴화가 짧은 기간에도 크게 발생하기 때문이다. 이후 발생 가스를 제거하고 완전히 밀봉한다. 이때의 방법은 전지의 종류와 특성에 따라 다르게 적용된다. 전지의 최종 밀봉이 완료되면, 용량, 임피던스, 개방회로 전압(open circuit voltage, OCV) 등이 측정되고 외관 등을 검사하여 불량을 선별하고 출하(shipping)를 대비한다.
