납 배터리에 대한 모든 것 2
제조 공정 (Process)
'생각에서 벗어나서' 브런치 북, '납 배터리에 대한 모든 것'에 이어 납 배터리 제조 공정에 대해 살펴보겠습니다. 공정은 크게 네 가지로 나누어집니다. 극판 제조 -> 조립 -> 화성 -> 포장 공정 순으로 배터리는 제작됩니다.
1. 극판 제조 (Plate Making)
납괴 준비 (Lead Ingot)
먼저 Tier 1 배터리 제조사는 Tier 2 회사로부터 배터리의 주 성분인 납을 괴 (Ingot) 형태로 구매합니다. 이때 납괴는 Primary lead (광산에서 채굴된 천연 납)와 Secondary lead (재생연), 두 가지 형태로 나눌 수 있습니다. 재생연은 리사이클링 프로세스 (Recycling process)를 거치기 때문에 미량의 불순물이 포함되어 화학반응 효과 (Performance)가 떨어지게 됩니다. 하지만 Primary lead에 비해 비용이 낮고, 둘을 적절히 혼합하면 배터리 퍼포먼스를 맞출 수 있기에 국내 협력사 중 100% Primary lead로 배터리를 제조하는 곳은 없는 것으로 알고 있습니다. Primary lead와 Secondary lead 혼합 비율은 회사 별, 그리고 배터리 종류별로 상이합니다.
참고로 국내에서 Primary lead를 판매하는 곳은 고려아연이 있습니다. 연 매출 5조에 영업 이익률 10~15%를 내며 (보통 OEM 자동차 회사의 영업 이익률이 5% 안팎임을 감안하면 굉장히 높은 수치입니다.) 2021년도에는 7조가 넘는 매출을 기록하였습니다. 제가 알기로는 독과점입니다. 그리고 Secondary lead를 판매하는 곳은 중일, 국제 그리고 상신금속 (세방 계열사)이 있습니다. 1,500억 정도의 연 매출 규모를 갖고 있고, 영업 이익률은 1~3% 수준입니다. 국내 납 배터리 제조사 중에서 세방이 가장 규모가 커서, 이들 3사와 세방 간에 협의를 통해 재생연 판매 단가가 정해지는 것으로 알고 있습니다.
그리고 순연 (Pure lead)과 함께 합성연 (납 + 첨가물)이 사용됩니다. 합성연을 사용하는 이유는 배터리 성능 향상 때문입니다. SN (주석)은 *딥사이클링을 향상시키며 부식을 방지하는 효과를 갖고 있습니다. SB (안티몬)도 정도는 다르나 딥사이클링을 개선시키며, CA (칼슘)는 자체 방전을 감소시키고 그리드의 기계적 강도를 높여 줍니다. 이 외에도 N (질소), TBLS (3중 기본 납 황산염) 등 다양한 물질이 첨가됩니다. 이는 배터리 제조사의 기술에 해당하므로 세부적으로 공개되지는 않습니다.
*딥사이클링 (Deep Cycling)에 대한 정의는 OEM 회사별로 기준이 상이한 것으로 알고 있습니다. 예를 들어 DoD (Depth of Discharge)의 % 정도에 따라 Deep 기준을 정합니다. 지난 시간에 업로드한 글을 참고해주세요 :)
연분 공정 (Oxide Making Process)
순연 (Pure lead)은 산소와 반응시켜 분말 형태의 산화물 즉, 연분 (PbO)으로 제작을 합니다. 활물질의 기본 성분인 산화납 파우더로 부르기도 합니다.
혼합 공정 (Mixing Process)
그러고 나서 물과 황산, 그리고 여러 첨가제를 혼합하면서 산화 환원 반응을 일으킬 활물질 (Active Materials)을 만들어 냅니다.
스트립 주조 공정 (Strip Casting Process)
합성연은 뜨겁게 달궈진 후 Bar casting 과정을 거쳐서 코일 롤 (Coil roll) 형태로 만들어집니다. 그리고 Stamping 또는 Expanding 방식에 따라 그리드 (Grid)가 만들어집니다.
도포 공정 (Pasting Process)
이렇게 만들어진 그리드를 활물질이 담긴 통에 담가서 도포를 시킵니다. (그리드 타입에 따라 도포되는 활물질이 다르며, 종류 및 비율은 노하우이므로 공개되지 않습니다.) 이 과정을 패스팅 (Pasting)이라고 부릅니다.
숙성 공정 (Curing Process)
그 후에 활물질과 기판이 잘 흡착되도록 숙성과 건조하는 공정을 거칩니다. 이 공정은 10시간 이상이 소요됩니다. 그러고 나서 다음 공정을 위해 잘 쌓아둡니다.
2. 조립 공정 (Assembly)
COS 공정 (Casting on Strap)
이런 과정을 거친 양극, 음극 그리드를 *격리판 (Envelop)과 함께 한 개의 극판 (Plate)으로 만듭니다. 양극판과 음극판을 각각 6장 또는 7장씩 (장 수는 회사별, 배터리 종류별로 상이할 수 있습니다.) 묶어 주조 방식으로 (Welding이라고 부릅니다.) 극판 군을 연결하여 2V의 전압을 만들어내는 하나의 셀을 만듭니다. (이러한 셀이 6개 모여 12V 납 배터리가 만들어집니다.) 이때 융착 과정에서 Strap이 사용됩니다. Strap은 합성연 Ingot을 통째로 용융시켜 제조합니다.
*격리판은 양극 또는 음극 그리드 중 한 곳에만 씌워주면 됩니다. 쇼트 (Short)를 방지하기 위함이며, 보통 장 수가 적은 그리드에 씌워줍니다.
참고로 융착 전에 격리판의 손상이나, 극판 정렬 불량에 의한 쇼트를 감지하는 테스트를 거칩니다.
단자 성형 (Terminal Forming)
다음으로 배터리 커버 (Cover)를 전조 (Container)와 함께 열로 융착 시키는 공정을 거칩니다. 그리고 *부싱 (Bushing)을 극판 군의 스풀 (Spool)과 용접합니다.
부싱은 터미널 또는 단자로 불립니다. 배터리의 +, -극 단자이며, 끝이 뾰족한 형태를 평평하게 성형하는 작업을 거칩니다. 그리고 스트랍에 의해 각 극판 군이 묶여 있고, 그 스트랍들을 연결하는 스풀과 용접하여 각 셀에 전기가 통하도록 연결을 합니다.
출처 : Google 검색 (https://bch4518.tistory.com/15)기밀 검사 (Leak Test)
마지막으로 융착이 잘 되었는지 공기를 넣어 시험하는 공정을 거칩니다.
3. 화성 공정 (Formation)
화성공정은 극판을 전기적으로 활성화시키는 공정입니다. 배터리 내부에 묽은 황산을 주입시킨 후 10~15시간 이상씩 화성시켜 (공정에 따라서 이 이상의 시간이 소요되기도 합니다.) 양극판을 PbO2, 음극판을 Pb로 화학적 성분이 변하게 하는 공정을 거칩니다.
그러고 나서 주입된 황산을 버리고 2차로 묽은 황산을 주입합니다. (1차 화성은 이온 활성화가 크게 일어나도록 만들기 위해 주입되는 황산의 비중이 2차에 비해 높습니다.) 그리고 마지막으로 Cover를 융착 시킵니다.
4. 포장 공정 (Packaging)
누수 테스트를 거친 후 외관을 물로 씻어내고 건조합니다. 그리고 쇼트 검사를 위해 심방전 (High rate discharge)을 짧게 시행합니다. 미량의 방전이므로 쇼트가 없다면 별도 충전 없이 패키지를 마치고 라벨을 붙인 다음, OME 사에서 요구하는 적재 조건에 따라 출하할 준비를 마치고 창고에 보관을 합니다.
실제 라인이나 잘 정리된 그림을 함께 본다면 이해가 쉬운데, 보안상 공유하지 못해 아쉽습니다. 구글이나 유튜브에서 해당 내용을 찾으실 수 있다면 참조하셔도 좋겠습니다.
배터리에 대해 글을 쓰다 보니 내용이 점점 길어지고 있습니다. 한 번에 다 적지 않고 호흡을 나눠 계속 이어서 업로드하겠습니다. 감사합니다.
