배터리 공정에서 오버행 불량

배터리 불량 - 오버행(Overhang) 불량

오버행(Overhang) 불량은 배터리 제조 과정에서 전극(양극 또는 음극)과 분리막(Separator)의 정렬 불량으로 인해 발생하는 문제입니다.

1. 오버행 불량의 정의

배터리 셀을 제작할 때, 양극(+)과 음극(-) 전극은 정확하게 정렬되어야 하며, 그 사이에 분리막이 위치해야 합니다.

오버행(Overhang) 불량이란, 전극(양극 또는 음극)이 분리막보다 더 길거나 비정상적으로 돌출된 상태를 의미합니다.

2. 오버행 불량의 원인

(1) 제조 공정의 문제

• 슬리팅(Slitting) 공정 불량 - 전극 또는 분리막의 재단 과정에서 크기 편차 발생
• 스태킹(Stacking) 및 권취(Winding) 공정 정렬 불량 - 전극과 분리막을 정렬할 때 위치가 틀어짐
• 적층(Stacking) 장비의 정밀도 부족 - 기계적 정렬이 불완전하여 전극 간 균형이 맞지 않음
• 원재료(분리막) 품질 문제 - 분리막이 균일하지 않아 특정 부분이 더 짧게 잘리는 현상

(2) 설계 및 공정 관리 문제

• 전극 및 분리막의 설계 치수 관리 미흡
• 전극과 분리막 사이의 마진(여유 간격)이 부족하여 작은 정렬 편차에도 오버행 발생

3. 오버행 불량이 배터리에 미치는 영향

(1) 내부 단락(Short Circuit) 위험 증가

오버행이 심한 경우, 양극과 음극이 직접 접촉할 가능성이 높아집니다.

분리막이 덮지 못한 전극 부분이 충격이나 압력에 의해 접촉하면서 배터리 단락(Short Circuit) 및 발열, 화재 위험이 증가합니다.

(2) 배터리 수명 저하

오버행이 발생한 부분에서는 전극이 제대로 보호되지 않아 불균일한 리튬 이온 이동이 발생합니다.

충·방전 시 특정 영역의 스트레스가 증가하면서 배터리 성능 저하가 나타날 수 있습니다.

4. 오버행 불량 방지 방법

(1) 제조 공정 개선

• 고정밀 슬리팅(Slitting) 장비 사용 - 전극 및 분리막의 절단 편차 최소화
• 스태킹(Stacking) 및 권취(Winding) 정밀도 향상 - 자동 정렬 시스템 도입
• 공정 내 실시간 검사 시스템 도입 - 비전(영상) 검사 시스템 활용

(2) 설계 최적화

• 전극과 분리막의 크기 차이를 충분히 확보하여 정렬 오차 허용 범위 증가
• 배터리 제조 표준을 엄격히 관리하여 공정 편차 최소화

오버행 불량은 배터리 내부 단락 및 수명 저하를 초래하는 중요한 결함입니다. 이를 방지하기 위해서는 제조 공정의 정밀도 향상, 품질 관리 강화, 설계 최적화 등의 노력이 필요합니다.

CATL(Contemporary Amperex Technology Co. Limited)은 글로벌 배터리 시장에서 가장 영향력 있는 기업 중 하나이며, 경쟁사 대비 여러 강력한 경쟁력을 보유하고 있습니다. 전문가적 시각에서 CATL의 경쟁력을 주요 요소별로 분석해보겠습니다.

1. 시장 지배력 및 규모의 경제

• 글로벌 1위 배터리 제조사: SNE리서치에 따르면, CATL은 2023년 전기차(EV) 배터리 시장에서 **점유율 약 37%**를 기록하며 1위를 차지했습니다.

• 규모의 경제(Economies of Scale): 대규모 생산 능력을 보유하여 원가 절감 효과가 크며, 특히 원자재 조달 및 가공 비용에서 경쟁사보다 유리합니다.

• 공급망 장악력: CATL은 배터리 핵심 원자재(리튬, 니켈, 코발트) 조달에서 강력한 네트워크를 구축해 원가 경쟁력을 확보했습니다.

배터리 스웰링 시험: 안전성 평가 방법

배터리 스웰링 시험은 배터리의 부피 변화와 관련된 안전성을 평가하는 중요한 과정이다. 이 시험을 통해 배터리의 내구성과 안정성을 검증하며, 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

배터리 스웰링 시험 방법

■압력 측정 센서 사용

배터리 셀 내부에 압력 측정 센서를 장착하여 부피 변화에 따른 압력을 실시간으로 측정한다. 비정상적인 스웰링이 발생하면 센서가 이를 감지하여 경고를 제공한다.

■전류 감지 회로

배터리 하우징에 결합된 감지 회로를 통해 전류의 흐름을 모니터링한다. 스웰링이 발생하면 하우징과 감지 회로 간의 접촉 상태가 변화하여 전류 흐름이 달라지므로 이를 통해 스웰링 여부를 판단할 수 있다.

■사이클링 테스트

배터리를 반복적으로 충전하고 방전하여 성능과 수명을 평가한다. 이 과정에서 스웰링 현상이 발생하는지 관찰한다.

■환경 스트레스 테스트

온도와 습도를 조절할 수 있는 챔버에서 배터리를 테스트하여 극한의 환경에서 스웰링이 발생하는지를 확인한다.

이러한 다양한 방법을 통해 배터리의 스웰링을 정밀하게 감지하고 평가할 수 있으며, 이를 통해 배터리의 안정성을 높이고 제품의 신뢰성을 확보할 수 있다.

CATL의 인공지능 활용분야

배터리 연구개발(R&D)에서 인공지능(AI)은 다양한 방식으로 활용될 수 있으며, 특히 CATL(Contemporary Amperex Technology Co. Limited)이 선도적으로 적용하고 있는 분야를 중심으로 정리하면 다음과 같다.

배터리 소재 개발

AI는 새로운 배터리 소재를 탐색하고 개발하는 데 중요한 역할을 한다.

• 소재 발견 및 최적화: CATL은 AI를 활용해 신소재를 탐색하고, 배터리 성능을 향상시키는 최적의 조합을 찾는다. AI 기반 모델은 수천만 개의 조합을 빠르게 분석해 가장 유망한 조합을 도출할 수 있다.

• 전해질 및 양극/음극 소재 개선: AI는 다양한 화학적 조성을 시뮬레이션하여 배터리 수명을 연장하고 안정성을 높이는 최적의 조합을 찾는 데 사용된다.

배터리 성능 예측 및 수명 연장

CATL은 AI를 활용해 배터리의 성능을 예측하고, 배터리의 수명을 연장하는 전략을 개발하고 있다.

• AI 기반 수명 예측 모델: 배터리의 충·방전 패턴과 환경적 요인을 분석해 수명을 예측하고, 최적의 사용 조건을 도출한다.

• 열 관리 시스템 개선: AI는 배터리의 온도 변화를 실시간으로 분석하고, 냉각 시스템을 최적화하여 효율을 높이고 화재 위험을 줄이는 데 기여한다.

배터리 생산 공정 최적화

CATL은 AI를 활용해 배터리 제조 공정을 자동화하고 최적화하고 있다.

• AI 기반 품질 검사: 머신러닝을 이용해 생산 과정에서 결함을 실시간으로 감지하고 불량률을 줄인다.

• 공정 자동화 및 최적화: 생산 속도를 높이고 비용을 절감하기 위해 AI를 활용해 공정을 최적화하고, 공정 데이터를 실시간으로 분석하여 효율성을 극대화한다.

배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)

AI 기반 BMS는 CATL이 특히 강조하는 분야로, 배터리의 안전성과 효율성을 극대화하는 역할을 한다.

• 스마트 충전 알고리즘: AI를 활용해 최적의 충전 패턴을 설계하고, 배터리 수명을 연장한다.

• 고장 예측 및 예방: AI는 실시간 데이터를 분석해 배터리의 이상 징후를 사전에 감지하고, 화재나 폭발 위험을 줄인다.

배터리 재사용 및 재활용 최적화

CATL은 AI를 활용해 사용된 배터리를 평가하고, 재사용 가능한지를 분석한다.

• 배터리 상태 분석: 머신러닝을 통해 폐배터리의 성능을 평가하고, ESS(에너지 저장 시스템) 등으로 재사용할지, 분해 후 원소를 추출해 재활용할지를 결정한다.

• 배터리 수명 데이터 학습: AI가 다양한 배터리 사용 데이터를 학습하여 폐기 전에 최적의 활용 방안을 제시한다.

결론

CATL은 배터리의 소재 개발, 성능 예측, 제조 공정 최적화, BMS, 재활용 등 다양한 분야에서 AI를 적극적으로 활용하고 있다. AI 기술이 배터리 산업의 핵심 요소로 자리 잡으면서, CATL 같은 선두 기업들은 이를 통해 성능 향상, 비용 절감, 안전성 증대 등을 이루고 있다. AI를 배터리 R&D에 접목하는 것은 미래 배터리 시장에서 필수적인 전략이 될 것이다.

드로스(Dross)

배터리 "드로스(Dross)"는 금속 가공 과정에서 발생하는 찌꺼기나 불순물을 의미합니다. 리튬이온 배터리 제조에서, 레이저 노칭 공정 중 금속 극판(구리 또는 알루미늄)을 절단할 때 발생하며, 이는 열 변형으로 인해 분리막을 막거나 생산성을 저하시키는 문제를 초래합니다[1].

출처

[1] 레이저 노칭, '드로스' 때문에 양산 검증 단계서 주춤 - KIPOST(키포스트) https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=209214

트럼프 2.0시대의 배터리 전략

트럼프 2.0 시대의 배터리 정책: 글로벌 경쟁력과 에너지 안보를 강화하기 위한 전략

도널드 트럼프 전 대통령이 다시 권력을 잡게 될 경우, 정책 기조는 미국 우선주의(America First)에 기반하여 국내 제조업과 에너지 자립을 강조하는 방향으로 전개될 가능성이 큽니다. 이는 배터리 산업에도 큰 영향을 미칠 것입니다. 전문가 입장에서 트럼프 2.0 시대에 미국의 배터리 정책이 나아가야 할 방향을 아래와 같이 제시합니다.

1. 공급망의 재구성: 미국 중심의 생태계 구축

1) 핵심 광물의 안정적 확보

• 전기차와 에너지 저장 장치(ESS)에 필수적인 리튬, 니켈, 코발트 등의 광물 확보는 배터리 산업의 핵심입니다.

• 트럼프 2.0 시대에는 해외 의존도를 줄이기 위해 미국 내 광물 채굴과 정제 역량을 강화하는 정책이 필요합니다.

• 추천 정책: 공공 및 민간 투자 확대, 국내 광산 개발 인센티브 제공, 환경 규제 완화

• 동맹국(예: 캐나다, 호주)과의 자원 협력을 강화하여 공급망을 다변화하는 것도 중요합니다.

2) 중국 의존도 탈피

• 현재 글로벌 배터리 생산 및 원료 가공의 상당 부분을 중국이 주도하고 있습니다.

• 트럼프 정부는 중국과의 경제적 디커플링(Decoupling)을 강조해왔기 때문에, 배터리 공급망의 탈중국화를 가속화할 가능성이 큽니다.

• 추천 정책: 중국 의존도가 높은 기업에 대한 보조금 제한, 미국내 제조 시설 유치를 위한 세제 혜택

2. 배터리 제조업 부흥: ‘메이드 인 아메리카’ 강조

1) 국내 제조 인프라 강화

• 배터리 셀과 팩 제조를 미국 내에서 확대함으로써 고용 창출과 제조 경쟁력을 동시에 확보할 수 있습니다.

• 추천 정책:

• 배터리 제조업체에 대한 세제 감면

• 산업 클러스터 조성 및 R&D 투자 확대

• 노동자 기술 훈련 프로그램 지원

2) 전기차 배터리 리사이클링 산업 활성화

• 폐배터리에서 귀금속을 추출하는 리사이클링은 환경적, 경제적으로 중요합니다.

• 추천 정책:

• 폐배터리 재활용 기업에 대한 보조금 지원

• 재활용 기술 개발을 위한 연방 연구 기금 증대

3. 에너지 안보와 전략적 비축

1) 배터리 에너지 저장 시스템(ESS) 확대

• 미국 전력망의 신뢰성과 에너지 자립도를 높이기 위해 ESS 보급을 확대해야 합니다.

• 추천 정책: ESS 구축 기업에 대한 인센티브 제공, 공공 인프라 프로젝트에 ESS 의무화

2) 전략적 비축

• 리튬, 니켈 등 배터리 원료에 대해 석유 비축 프로그램처럼 전략적 비축 시스템을 구축하여 글로벌 공급망 위기에 대비해야 합니다.

4. 혁신 기술 개발: 차세대 배터리에 투자

1) 미국 주도의 기술 혁신

• 리튬이온 배터리 외에도 고체배터리(Solid-State Battery), 리튬황(Lithium-Sulfur) 배터리 등 차세대 배터리 기술을 선도해야 합니다.

• 추천 정책:

  - 국립 연구소 및 민간 기업 간 협력 프로그램 확대

  - 연방 정부의 R&D 투자 강화

2) 배터리 효율 및 안전성 강화

• 에너지 밀도 향상, 충전 속도 개선, 화재 위험 감소 등 혁신 목표를 설정하고 이에 따른 연구 지원이 필요합니다.

5. 글로벌 리더십 강화

1) 자유무역 협정 및 기술 표준화 주도

• 배터리 기술과 관련된 국제 표준을 주도함으로써 글로벌 시장에서 미국의 기술적 우위를 확보할 수 있습니다.

• 주요 동맹국과 협력하여 미국이 주도하는 배터리 산업 연합을 결성할 수 있습니다.

2) 동맹국과의 파트너십 강화

• 한국, 일본, 유럽과 같은 배터리 강국과 기술 협력을 통해 혁신을 가속화해야 합니다.

• 추천 정책: 기술 교환 프로그램, 공동 투자 기금 조성

결론: 에너지 독립과 경제 성장을 위한 필수 전략

트럼프 2.0 시대에는 에너지 독립과 제조업 부흥이라는 두 가지 목표를 달성하기 위해 배터리 정책이 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

공급망 재구성, 제조업 강화, 차세대 기술 개발을 통해 미국이 배터리 산업에서 글로벌 리더로 자리 잡을 수 있도록 적극적인 정책이 필요합니다.

미래는 배터리에 달려 있습니다. 트럼프 2.0 시대에 배터리 산업의 방향성은 곧 미국 경제와 기술 경쟁력의 미래를 결정짓는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

배터리 저전압의 원인

 배터리 저전압의 원인을 밝혀내기 위한 방법과 상용 솔루션

배터리 저전압 문제는 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 전자기기 등 다양한 분야에서 발생할 수 있는 주요 이슈입니다. 저전압 문제는 배터리 성능 저하나 심각한 경우 배터리 고장을 유발할 수 있기 때문에, 원인을 정확히 분석하고 해결하는 것이 매우 중요합니다. 이번 글에서는 배터리 저전압의 원인을 밝혀내기 위한 방법과 상용 솔루션에 대해 소개하겠습니다.

1. 배터리 저전압의 주요 원인

배터리 저전압은 여러 가지 원인으로 발생할 수 있습니다. 주요 원인은 다음과 같습니다:

(1) 셀 불균형

• 배터리 팩 내부의 셀 간 전압 차이가 발생하면 특정 셀이 과방전되거나 저전압 상태에 도달할 수 있습니다.

• 원인: 제조 공정의 셀 용량 차이, 셀 노화, 열 분포 불균일.

(2) 과방전

• 배터리가 장시간 과방전 상태로 사용되면 내부 화학 반응이 저하되어 전압이 떨어질 수 있습니다.

• 원인: 과도한 방전, 충전 부족, 부적절한 배터리 관리.

(3) 내부 단락

• 셀 내부 단락(short circuit)이 발생하면 특정 셀의 전압이 급격히 감소할 수 있습니다.

• 원인: 제조 결함, 외부 충격, 열적 스트레스.

(4) BMS(Battery Management System) 이상

• 배터리 관리 시스템이 제대로 작동하지 않으면 전압 측정 오류, 충·방전 제어 문제 등이 발생할 수 있습니다.

(5) 온도 불균형

• 배터리가 지나치게 높은 온도나 낮은 온도에서 작동하면 전압 강하가 발생할 수 있습니다.

• 원인: 열 분산 설계 미흡, 냉각 시스템 이상.

2. 배터리 저전압 원인을 밝히는 방법

저전압 문제를 해결하기 위해서는 정확한 원인을 파악하는 것이 중요합니다. 이를 위해 다양한 진단 방법과 도구를 활용할 수 있습니다.

(1) 전압 측정 및 셀 분석

• 방법: 각 셀의 전압을 개별적으로 측정하여 불균형 여부를 확인.

• 도구:

  ▶ 멀티미터: 간단한 전압 측정에 사용.

  ▶ 셀 발란싱 장비: 셀 간 전압 차이를 조정하며 불균형 문제를 파악.

(2) 내부 저항 테스트

• 목적: 배터리 셀의 내부 저항을 측정하여 셀의 열화 여부를 진단.

• 도구:

  ▶ 저항 측정기(DCIR Tester): 셀 내부 저항값을 분석하여 저항 증가로 인한 전압 강하 원인 파악.

(3) 열화도 분석

• 방법: 배터리 용량, 충·방전 효율, 열 발생 특성을 평가하여 열화 상태를 분석.

• 도구:

  ▶ 전기화학적 분석 장비(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy): 배터리의 화학적 반응 상태를 분석.

(4) 열화상 카메라 검사

• 목적: 셀 간 온도 불균형 여부를 확인.

• 도구:

  ▶ 열화상 카메라: 발열 패턴을 분석하여 이상 셀이나 배터리 모듈을 식별.

(5) 데이터 로깅 및 분석

• 방법: BMS 데이터를 수집하여 저전압 이벤트가 발생한 시점과 원인을 분석.

• 도구:

  ▶BMS 로깅 장비: 충·방전 데이터, 셀 전압 및 온도 데이터를 기록 및 분석.

3. 상용 솔루션 소개

배터리 저전압 문제를 진단하고 해결하기 위해 다양한 상용 솔루션이 개발되어 있습니다. 아래는 주요 솔루션입니다:

(1) Keysight BT2152A

• 기능: 배터리 셀 전압 및 내부 저항을 고속 측정.

• 특징: 고정밀 분석을 통해 셀 불균형 및 저항 증가로 인한 저전압 원인을 진단.

• 적용 분야: 배터리 팩 제조 공정 및 연구소.

(2) Hioki BT4560

• 기능: 내부 저항(DCIR) 및 전압 측정.

• 특징: 열화된 셀을 조기에 식별하여 배터리 저전압 문제를 해결.

• 적용 분야: 전기차 및 ESS 배터리 팩 제조.

(3) FLIR 열화상 카메라 (FLIR E6 XT)

• 기능: 배터리 팩의 온도 불균형을 감지.

• 특징: 비접촉 방식으로 열 패턴을 시각적으로 분석하여 이상 셀을 탐지.

• 적용 분야: 배터리 팩 공정 및 유지보수.

(4) AVL Battery Test System

• 기능: 배터리 성능 테스트 및 데이터 로깅.

• 특징: 충·방전 효율, 전압, 용량, 저항을 종합적으로 분석하여 문제 원인을 파악.

• 적용 분야: 대형 배터리 팩 및 모듈 테스트.

(5) Arbin Instruments

• 기능: 배터리 충·방전 데이터 수집 및 분석.

• 특징: 고급 소프트웨어를 통해 셀 수준부터 팩 수준까지 정밀 진단 가능.

• 적용 분야: 연구소, 배터리 개발 공정.

4. 결론: 체계적인 접근이 중요하다

배터리 저전압 문제는 여러 원인이 복합적으로 작용할 수 있기 때문에, 체계적인 진단과 검사가 필요합니다. 셀 전압 및 내부 저항 측정, 열화 분석, 데이터 로깅과 같은 방법을 활용해 원인을 파악하고, Keysight, Hioki, FLIR와 같은 상용 솔루션을 적절히 활용하면 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

배터리의 성능과 안전성을 보장하기 위해 저전압 문제는 조기에 진단하고, 적합한 조치를 취하는 것이 무엇보다 중요합니다.