ChatGPT를 활용예 -배터리 활성화
OpenAI의 ChatGPT를 활용하여 배터리 제조 공정을 살피다
다음은 요즘 업계의 관심을 끌고 있는 ChatGPT를 이용하여 '배터리 활성화'가 무엇인지 질문한 결과이다. (깔끔히 정리된 내용이 무척 놀랍다. 아래 내용은 영문으로 답한 것을 papago로 번역한 후 단어 등을 수작업으로 다듬은 것이다.)
배터리 '활성화'는 배터리를 만들거나 충(방)전하는 과정이다. 이 과정은 배터리를 활성화하는 유형에 따라 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 다음은 배터리 활성화에서 종종 따르는 몇 가지 일반적인 단계이다.
우선, 셀을 조립하는데, 이 공정에서는 전극과 분리막을 셀 케이스에 결합하는 과정이 포함된다. (이것이 활성화의 전 단계인 '조립'공정인데 함께 묶어서 조립/활성화라고도 한다.) 그런 다음, 셀을 충전하는데, 전기를 생산하는 화학반응을 일으키기 위해 전극에 전압을 가하는 과정을 포함한다. 그런 다음, 셀을 방전하는데, 이는 화학반응에 의해 생성된 전기를 외부 부하에 전력을 공급하여 사용하는 과정을 포함한다.
이렇게 셀을 충전하고 방전시키는 과정을 여러 번 반복함으로써 배터리를 '활성화'하여 최대 용량까지 도달하게 한다. 배터리가 최상의 상태로 작동할 수 있도록 하기 위해, 배터리를 완전히 방전하고 다시 충전할 수 있느냐가 완제품의 조건이 될 수도 있다. 배터리가 제대로 활성화되고 배터리 수명을 연장하기 위해서는 배터리 활성화를 위한 제조사의 권고를 따르는 것이 중요하다.
기대했던 것보다 훨씬 더 깔끔하게 정리를 했다.
ChatGPT는 OpenAI가 개발한 프로토타입 대화형 인공지능 챗봇인데, 대형 언어 모델 GPT-3의 개선판인 GPT-3.5를 기반으로 만들어졌으며, 지도학습과 강화학습을 모두 사용해 파인 튜닝되었고, 현재는 무료로 사용할 수 있지만 곧 유료화될 것으로 생각한다.
크게 보면 배터리 활성화의 세부 단계이지만, 충방전 이후에 수행하는 배터리 테스트 및 등급부여(불량선별, grading)에 대한 ChatGPT의 답변을 살펴 본다.
배터리 제조 공정에서의 등급부여(불량선별,grading)는 배터리 셀을 품질 및 성능 특성에 따라 분류하는 공정을 의미한다. 이는 일반적으로 용량, 전압, 저항 및 dimension과 같은 셀의 다양한 전기적 및 물리적 특성을 측정하는 자동화된 장비를 사용하여 수행된다.
그를 통해 배터리 셀은 생산 중인 특정 유형의 배터리에 대해 원하는 사양(specifications)을 얼마나 잘 충족하는지에 따라 다른 등급으로 분류되어 등급에 따라 다른 bin 또는 shelf에 보관된다. 이러한 등급부여(불량선별, grading)는 최종 제품에서 요구되는 성능 기준을 충족하고 특성 면에서 최대한 균일한 셀로 (동일 모듈이나 팩이) 구성되도록 하기 때문에 배터리 제조 공정에서 중요한 단계이다.
배터리 활성화 공정 이미지. LG에너지솔루션 'Battery INSIDE' 외부용 누리집에서 가져옴배터리 제조 공정은 전 과정이 이루어져 출시까지 몇 단계의 일이 어느 정도의 기간 동안 이루어질까?
전극, 조립, 활성화, 팩 등 여러 단계를 거치며 장기간(수 주週에서 수개월個月)이 소요된다.
다음은 그 질문에 대한 ChatGPT의 답변이다.
전기 자동차용 배터리의 제조에 걸리는 시간은 배터리의 크기, 생산 부피, 사용되는 제조 공정 등 여러 가지 요인에 따라 달라질 수 있다.
일반적으로, 전기 자동차용 배터리를 제조하는 데에는 몇 주에서 몇 개월이 걸릴 수 있다.
그러나, 배터리 제조 공정은 전기 자동차를 생산하는 전체 공정의 일부에 불과하다는 점에 주목할 필요가 있다. 설계, 테스트 및 조립을 포함한 많은 다른 단계가 관련되어 있으며, 이는 또한 상당한 시간이 걸릴 수 있다.
배터리 제조 공정의 Front-end는 매우 정밀하기는 하지만 아날로그인데, 활성화 공정도 이러한 아날로그와 DC-DC 승/강압을 위한 Buck-boost PWM 제어기를 통합한 단일 실리콘 칩을 사용하여 진행한다. 0.02% 정확도와 90% 이상의 전력 효율성이 필요하다.
또한 배터리 활성화 및 등급 판정 공정에서 방전되는 에너지는 다른 배터리의 충전에 재활용할 수 있다. 예전 공정에서는 부하저항(RL, Resistive Load)으로 방전이 이루어졌으나, 이 에너지를 건물의 열이나 뜨거운 공기를 외부로 배출하기 위해 사용하기도 한다. 가장 단순한 배터리 방전 방법은 부하저하을 이용하는 것이지만, 대량의 배터리의 충방전 사이클에는 부하저항 방식만으로는 비용이 급속히 증가하므로, 부가적 복잡도를 최소화하면서 배터리 방전 시의 에너지를 재활용할 수 있도록 하기 위한 솔루션이 개발되고 지속적으로 개선되고 있어, 40% 이상의 에너지 절약을 기대하기도 한다.(주요 요소: 배터리 비용 절감, 에너지 재활용, 전력 고효율성, 테스트 정확도)
배터리 활성화 및 테스트 단계는 전체 배터리 제조 공정에서 병목이 되기도 하며, 배터리 수명, 품질, 비용 등에 매우 큰 영향을 준다.
배터리 셀을 처음 충방전을 하면 전기화학적 SEI(solid electrolyte interphase, 대개 번역을 하지 않지만 '고체 전해질 중간상?) 막이 전극, 특히 음극(anode)에 형성된다. 이 고체막은 다양한 요인에 민감하며 배터리의 성능에 영향이 크다. 활성화는 배터리의 화학적 특성에 따라 며칠이 걸릴 수도 있다. 활성화에는 0.1C의 전류를 사용하므로 완전 충방전 사이클에 최대 20시간이 소요되어 전체 배터리 생산 비용의 20% ~30%를 활성화에 사용한다.
SEI(Solid Electrolyte Interphase)
SEI는 배터리 제조 후 처음으로 충전할 때 음극재 표면에 생기는 얇은 막을 가리킨다. 배터리를 충전하면 배터리 내 리튬 이온이 음극으로 이동하게 되고, 그 과정에서 전해질에 있던 물질들이 처음으로 전기분해될 때 생기는 화학반응으로 음극재 표면에 고체막이 생성되는데, 이 고체막을 ‘SEI(Solid Electrolyte Interphase)’라고 부른다.
SEI의 역할을 제대로 알기 위해서는 먼저 배터리의 작동 원리를 이해해야 하는데, 배터리의 에너지는 리튬 이온이 양극과 음극을 오가면서 만들어지게 된다. ‘충전’이란 ‘리튬 이온’과 ‘전자’가 ‘양극’에서 ‘음극’으로 이동하는 현상인데, 충전을 할 때 배터리 내 ‘전자’는 외부 회로를 통해서, ‘리튬 이온’은 전해질을 통해서, (서로 다른 통로를 통해) 각각 ‘양극’에서 ‘음극’으로 이동한다.
배터리 충전을 위해 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 과정에서, SEI는 리튬 이온이 이동하는 길인 ‘전해질’의 추가 분해 반응을 방지하고 리튬 이온만이 전해질을 이동할 수 있도록 만들어 준다. 즉, 리튬 이온이 이동하는 길인 ‘전해질’을 보존하면서 배터리 내에서 또 다른 분리막 역할을 하는 것이다. SEI가 제 역할을 하기 위해서는 알맞은 피막을 형성하는 것이 무엇보다 중요한데, 피막 형성이 제대로 이루어지지 않으면 리튬 이온을 수송하고 배터리의 분리막 역할을 하는 SEI의 순기능이 약화되면서 결국 배터리의 수명과 성능에 영향을 끼칠 수 있다.
그다음에 수행되는 전기 테스트는 충전에 1C, 방전에 0.5C의 전류를 사용하는데, 각 사이클에는 약 3시간이 소요된다. 활성화 공정의 전기적 테스트는 지정된 온도 범위에서 ±0.02% 이상으로 제어된 전류 및 전압에서 엄격한 정확도를 기대할 수 있게 되는데, 활성화 및 등급 판정 단계에서 배터리의 전기화학적 특성이 안정화되므로, 이 단계에서 기록된 데이터를 기반으로, 유사한 전기화학적 패턴을 갖는 셀들은 하나의 모듈 및 팩으로 함께 그룹화하며, 이를 통해 전기 자동차 전력 시스템의 일관성을 높일 수 있다. 따라서 측정 및 제어 정확도는 데이터 품질을 결정하므로 결과적으로 전체 배터리 전원 시스템 성능에 매우 큰 영향을 준다. (생산/공정과 연계된 데이터 품질의 평가가 매우 중요함)
EV용 배터리 제조 공정에서 전력 효율성을 강화하는 것은 중요한 과제다. 충전 효율성도 높아야 하고, 방전 시의 에너지 재활용도 ESG 및 배터리 제조비용 절감에 매우 중요하다.
테스트 기기도 이동식 장비에 선형 조절기(regulator)를 사용하는 경우가 있는데, 온도 드리프트(drift, 제로점 및 감도의 변동)로 인해 효율 저하가 발생한다. 특히 전기차에서는 요구사항이 엄격하여 이의 개선이 중요하다.
위의 설명에서 쉽게 이해하지 못한 부분이 있을 수 있는데, 'C'라는 단위를 충분히 이해하지 못하는 경우라고 우려한다.
그 우려를 해소하기 위해 다음과 같이 정리하였다.
C (C-rate)
배터리 충방전에서 C 또는 'C-rate'는 '배터리 용량 대비' 배터리가 충방전 되는 '속도 rate'를 의미한다. 0%에서 '1시간 만에' 배터리를 완전히 충전(만충전)할 수 있는 전류값을 1C로 정의한다.
따라서 위의 설명에서, SEI형성을 위한 '충전과 방전을 0.1C로 진행'한다는 것은 전지 용량의 0.1배의 속도로 충방전을 한다는 것이며 이 경우에는 충전에 10시간, 방전에 10시간이 소요된다. 더 구체적인 예를 들어, 1000mAh 용량의 배터리를 0.1C로 충전한다면 시간당 100mAh가 충전된다.
활성화 공정의 마지막 단계로 출하 직전에는 0.1 ~ 1C로 방전시킨다.
C-rate가 높을수록 큰 전류로 충방전 할 수 있기 때문에, 전기차를 상온에서 0%에서 전기차의 급속 충전 권장인 80%까지 충전하는 데 걸리는 시간은 (by definition) 1C의 경우 1시간의 80%인 48분(=60*0.8)이 소요되고, 3C면 16분(=48/3), 6C면 8분(=48/6)이 소요된다.
따라서 전기차의 초급속충전의 정의를 할 때도 이 C-rate 단위를 사용하지만, 과전압을 고려하면 실제로는 가감이 있다.
반면에, ChatGPT가 어떻게 답변하는지 살펴보기 위해 전체 문장이 아니라, 그냥 구글 검색하듯이 단어들의 나열로 'battery chaging/discharging 0.1 c'라고 물어보았고, 결과는 다음과 같다. 특이한 점은 이 0.1이라는 C-rate가 높은지 적절한지에 대한 평가까지 덧붙인 점이다. 그래서 배터리의 사용단계에서는 높은 C-rate의 대전류를 사용하지만, 최초의 SEI형성 단계에서는 안정적으로 고체막이 형성되도록 매우 낮은 전류량을 사용한다는 이해도 갖게 되었다.
0.1C의 속도로 충전 또는 방전되는 배터리에 대해 물은 것으로 들린다.
배터리에서 C-rate는 배터리의 용량 대비 충전 또는 방전 속도를 의미한다.
예를 들어, 1C의 속도로 방전되는 1000mAh 용량의 전지는 (1시간당) 1000mA의 속도로 방전된다. 마찬가지로 0.5C의 속도로 충전되는 배터리는 500mA의 속도로 충전된다.
(질문 내용처럼) 0.1C의 속도로 충전 또는 방전되는 전지는 100mA의 속도로 충전 또는 방전되는 것인데, 이는 상대적으로 낮은 충전 또는 방전 속도이므로, 느리고 안정적인 충전 또는 방전이 필요한 경우에 적합할 것이다.
참고로, 일반적인 Li-Ion 배터리의 제조 공정 (manufacturing process)은 다음과 같다.
배터리 제조 공정 인포그래픽. LG에너지솔루션 'Battery INSIDE' 외부용 누리집에서 가져옴전극 공정 (Electrode Product, 배터리의 양극과 음극을 만드는 공정)
* 믹싱 공정 (Slurry mixing) : 양극/음극 슬러리 만들기
* 코팅 공정 (Coating) :
집전체 위에 슬러리 코팅하기 (양극재 - 알루미늄 포일 '알박', 음극재 - 구리 포일 '동박')
건조 (Drying @100도 이상의 오븐 oven)
* 롤 프레싱 공정 (roll pressing): 전극 편평하게 펴주기 (Calendaring, Jelly Roll Construction)
* 슬리팅 & 노칭 공정 (Slitting/cutting 또는 notching) : 배터리 크기에 맞게 전극 절단하기
조립 공정 (Cell Assembly)
원통형 배터리의 경우
* 와인딩 (Winding)
* 전해액 주입 (Electrlyte filling)
밀봉(Sealing)
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파우치 배터리의 경우
* 라미네이션 & 스태킹 (lamination & stacking)
* 전해액 주입 (Electrlyte filling)
밀봉(Sealing)
활성화 공정 (Formation, End-of-Line Conditioning, 전기에너지로 배터리를 활성화하고 안전성 확인)
에이징 (Aging):
전해질이 양극과 음극에 잘 스며들어 고르게 분산하여야 이온의 이동이 원활하므로,
30분~3시간가량 상온 보관 @일정 온도/습도
* 활성화 (Formation) : 배터리 충방전 하기
* (2차)에이징 (Aging) : 배터리 안정화하기
(충전한 배터리를 40~70도의 고온에서 에이징을 통해 SEI를 안정화시킴)
* 디개싱 (Degassing) :
에이징을 하면서 충방전 등에서 발생할 수 있는 배터리 속 가스를 제거함 (파우치 배터리)
디개싱 후에도 에이징과 충방전을 두 차례 더 반복함
* 품질 검사 (Electrical testing, Grading)
(여기까지가 cell 제조 공정으로서는 마지막이다. 그다음에 '팩 pack' 공정에서 모듈 및 팩이 제조된다.)
팩 공정 (Pack)
* 셀로 연결된 모듈을 팩에 넣고 연결하기
배터리 제조의 가장 기본적인 소재는 다음의 3가지이다.
전극 (electrodes) - 양극(cathode)과 음극(anode)으로 분리하여 4가지로 정의하기도 한다.
전해액 (electrolyte)
분리막 (separator)
배터리를 6개의 파트로 정의할 때는 양극/분리막/음극/전해액에 다음 2가지를 더한다.
container(can 또는 pouch), collector.
위 공정에서 설명이 필요한 용어들을 보충 설명한다.
젤리 롤 (Jelly Roll)
원래 의미는 가운데에 잼(jam)을 채우고 케이크를 말아 올린 원형 롤 케이크이다. 배터리 모양이 이와 비슷해서 'winding'기법으로 양극재/분리막/음극재 등을 엮어서 돌돌 말린 소재 조합물을 학술용어로도 '젤리롤'이라고 한다. 또는 와인딩뿐만 아니라 잘라서 쌓아 놓은 (stacking) 중간 형태의 배터리도 젤리롤이라고 한다.
Calendaring
칼렌더링은 compressing이라고도 하고, LG 엔솔(에너지솔루션)에서는 롤 프레싱(Roll Pressing) 공정이라고 한다.
코팅과 건조가 완료되면 두 개의 커다란 압연(Rolling) 사이로 전극을 통과시키는데, 전극이 납작해질수록 에너지의 밀도가 상승하고 균질해지기 때문이다.
R2R (Roll to Roll)
배터리는 코팅 및 건조, 칼렌더링, 스리팅/컷팅 등을 R2R공정으로 진행한다.
R2R은 원래 전자 분야에서 플라스틱 필름이나 금속 포일 롤에 유연하고 큰 표면의 전자장치를 생산하는 방법이었다. 연속적인 방식으로 필름 구조를 구축하기 위해 2개의 움직이는 재료 롤 사이에서 전달되는 유연한 기판의 연속처리를 포함한다.
배터리 제조에서는 알박/동박(알루미늄 및 구리 포일) 제조, 분리막 제조, 전극 공정 등에서 사용한다.
Slitting/Cutting(Notching)
slitting/cutting이라고 하지만, 엔솔에서는 slitting/notching이라고 한다.
슬리팅은 각 사이즈에 따라 '세로 방향'으로 잘라주는 것이고,
노칭은 전극을 '가로'로 재단(cutting)하고 양극 탭, 음극 탭을 만들어 줌으로써 전극 공정의 마지막 주요 공정이다.
