1. 파우치셀의 소개 및 전망

파우치 셀은 기본적으로 알루미늄 플라스틱 필름을 포장재로 사용하는 셀입니다. 일반적으로 리튬 이온 배터리의 포장은 소프트팩 셀과 금속 쉘 셀의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 금속 쉘 셀에는 강철 쉘과 알루미늄 쉘이 있으며, 원통형과 사각형 유형도 있습니다.

폴리머 배터리는 특수 포장재와 구조 설계로 인해 다양한 배터리 유형 중에서도 단연 돋보입니다. 안전 측면에서 알루미늄 플라스틱 필름 포장은 안전성을 보장합니다. 안전 사고 발생 시 파우치 셀은 팽창과 균열을 통해 압력을 부드럽게 방출하는 경향이 있는데, 이는 강철 셀이나 알루미늄 셀 배터리가 유발할 수 있는 폭발 위험과는 극명한 대조를 이룹니다. 무게 측면에서 소프트팩 배터리는 뛰어난 경량 특성을 자랑합니다. 동일 용량의 강철 셀 리튬 이온 배터리 대비 무게를 40%, 알루미늄 셀 리튬 이온 배터리 대비 20%까지 줄일 수 있습니다. 따라서 무게가 중요한 요소인 분야에서 매우 경쟁력 있는 배터리입니다.

전기적 성능 측면에서 파우치 셀의 내부 저항은 일반 리튬 이온 배터리보다 현저히 낮습니다. 이러한 낮은 내부 저항 특성은 배터리 자가 방전을 효과적으로 줄이고 에너지 이용 효율을 향상하는 데 도움이 됩니다. 사이클 수명 측면에서도 파우치 셀은 매우 우수합니다. 100회 사이클 이후 배터리 용량 감소는 알루미늄 쉘 배터리보다 4~7% 적기 때문에 더욱 내구성 있고 안정적인 전력 공급을 제공할 수 있습니다. 또한, 파우치 셀은 설계 유연성이 매우 뛰어납니다. 기존 배터리의 형태적 한계를 극복하고 어떤 형태로든 맞춤 제작이 가능하며, 초박형화까지 가능하여 다양한 셀 모델에 대한 고객의 다양한 요구를 충족하고 제품 혁신의 가능성을 넓혀줍니다.

소프트팩은 전력 배터리 분야에서 시장 점유율 50% 이상을 차지하고 있습니다. 통계에 따르면 2023년 소프트팩 전력 배터리의 글로벌 시장 점유율은 42%로 6%p 증가했습니다. 에너지 저장 분야에서는 유연한 설계와 높은 사이클 수명 특성을 갖춘 파우치 셀 덕분에 분산형 에너지 저장 프로젝트의 설치 용량이 전년 대비 50% 이상 증가했습니다.

지속적인 기술 혁신 또한 파우치 셀의 성장을 뒷받침하고 있습니다. 알루미늄 플라스틱 필름 패키징 공정을 최적화함으로써 배터리의 에너지 밀도는 300Wh/kg 이상으로 향상되어 전고체 배터리 수준에 근접했습니다. 라미네이션 기술의 성숙된 적용으로 생산 효율은 30% 향상되고 제조 비용은 15% 절감되었습니다. 2024년 나트륨 이온 파우치 셀의 양산이 시작됨에 따라, 저온 성능과 비용 관리 측면에서의 강점을 바탕으로 전기 이륜차 및 저속 전기 자동차와 같은 특수 시장에서 파우치 셀의 시장 점유율이 새로운 정점에 도달하여 전력 배터리 분야에서의 선도적 지위를 더욱 공고히 할 것으로 예상됩니다.

2. 생산 세부 사항

동일한 규격의 스틸 쉘 리튬 배터리와 비교했을 때, 3원계 파우치 배터리의 용량은 10~15% 더 높습니다. 알루미늄 쉘 배터리와 비교했을 때도 용량을 5~10%까지 늘릴 수 있습니다. 또한, 동일한 용량 규격에서 파우치 배터리는 무게가 더 가볍습니다. 이러한 "고용량 경량화" 특성은 새로운 보조금 정책에서 파우치 배터리에 상당한 이점을 제공합니다. 업계 전문가들은 배터리 기술 발전과 진화에 따라 신에너지 자동차 시장에서 파우치 배터리의 보급률이 지속적으로 증가할 것이며, 향후 다양한 유형의 배터리 비중이 50%를 넘어설 것으로 예상합니다. 배터리 쉘 소재의 차이는 다양한 포장 방식을 결정합니다. 파우치 배터리는 알루미늄 플라스틱 필름을 쉘로 사용하고 열 포장 공정을 사용하는 반면, 금속 쉘 배터리는 일반적으로 레이저 용접을 사용하여 밀봉합니다. 알루미늄 플라스틱 필름은 3겹으로 구성되어 있으며, 각 층은 명확한 역할 분담을 통해 셀을 보호합니다. 가장 바깥쪽의 나일론 층은 알루미늄 플라스틱 필름에 안정적인 모양을 제공할 뿐만 아니라, 외부에서 배터리 쉘이 손상되는 것을 줄이고, 특히 산소를 포함한 공기의 침투를 효과적으로 차단하여 셀 내부 환경의 안정성을 유지하고, 포장용 알루미늄 호일의 우수한 유연성을 보장합니다.

중간 A층은 금속 알루미늄으로 제작되어 견고한 방수 장벽 역할을 하여 물과 습기가 셀 내부로 침투하는 것을 방지합니다. 리튬 이온 배터리는 습기에 매우 민감하므로 전극 시트의 수분 함량은 일반적으로 PPM 수준이어야 합니다. AI층의 존재는 매우 중요합니다. 또한, A층은 알루미늄 플라스틱 필름 형성 시 가소성을 제공하여 펀치 홀 가공을 용이하게 합니다. 가장 안쪽 층의 PP(폴리프로필렌)층은 열 패키징의 핵심입니다. 100°C에서 PP층은 용융되어 점성을 띠게 되는데, 밀봉 헤드의 가열을 통해 용융 및 접합되고 냉각 후 견고한 패키징을 이룹니다. 또한, PP층은 셀 내부의 유기 용매에 의해 용해되거나 팽윤되지 않아 내부 전해질과 AI층을 효과적으로 분리하고 AI층의 부식을 방지하여 배터리의 안전한 작동을 보장합니다.

알루미늄 플라스틱 필름은 구조적으로 단순해 보일 수 있지만, 생산 과정에서 세 가지 소재를 균일하고 견고하게 합성하는 것은 큰 기술적 과제입니다.

파우치 배터리 생산 공정 중 한 공정은 기존 배터리 제조 공정과 유사하므로 자세히 설명하지 않겠습니다. 전극 시트와 전극 리드의 성형 공정은 독특합니다. 전극 시트는 일반적으로 다이커팅으로 정밀하게 성형하는 반면, 전극 리드는 레이저 커팅 또는 다이커팅으로 가공할 수 있습니다. 전극 시트를 적층하는 것은 파우치 배터리 생산의 핵심 단계입니다. 일반적인 적층 방식에는 Z자형 전극 시트 적층과 권취형 전극 시트 적층이 있습니다. 권취형 전극 시트 적층에서는 절단된 전극 시트를 하나씩 적층하고 접착 테이프로 고정하여 코일 코어를 형성한 후, 형성된 알루미늄 플라스틱 필름 홈에 배치합니다. 파우치 셀은 고객 요구 사항에 따라 다양한 크기 사양으로 설계할 수 있는 현지 맞춤 제작의 장점을 가지고 있습니다. 형상 치수를 결정한 후에는 특수 금형을 맞춤 제작하여 알루미늄 플라스틱 필름 성형 공정을 완료해야 하는데, 이 공정은 일반적으로 "펀칭 홀"이라고 합니다. 이 공정은 가열 조건에서 수행되며, 성형 금형을 사용하여 알루미늄 플라스틱 필름의 코일 코어와 일치하는 홈을 펀칭하여 이후의 셀 조립을 위한 정밀한 수용 공간을 제공하고 파우치 배터리의 전반적인 구조와 성능을 보장합니다.

알루미늄 플라스틱 필름을 펀칭 및 절단하여 성형한 것을 포켓 백이라고 합니다. 실제 생산에서는 셀 두께에 따라 포켓 백의 펀칭 형태를 유연하게 선택해야 합니다. 셀이 얇으면 일반적으로 단일 피트 펀칭을 사용하고, 셀이 두꺼우면 이중 피트 펀칭을 선택합니다. 이는 알루미늄 플라스틱 필름의 변형 용량에 상한선이 있기 때문입니다. 무리하게 펀칭 및 인장 강도를 높이면 재료가 파열될 가능성이 매우 높아 배터리의 안전성과 무결성에 영향을 미칩니다.

또한, 생산 과정에서는 에어백 영역에 요구사항에 따라 스탬핑 작업이 수행되고 공기 구조가 추가됩니다. 이러한 공기 구성 요소는 배터리 형성 단계에서 중요한 역할을 합니다. 형성 과정에서 발생하는 가스를 효과적으로 포집하여 가스 축적이 셀의 성능과 구조에 영향을 미치는 것을 방지하고, 이후 사용 과정에서 파우치 배터리의 안정성과 신뢰성을 보장합니다.

접힌 코일 코어를 형성된 구덩이에 놓습니다.

코일 코어를 피트에 놓고, 여러 가지 가공 단계를 거쳐 캡슐화가 필요한 영역이 필요합니다.

코일 코어를 알루미늄 플라스틱 필름 성형 캐비티에 정확하게 삽입한 후, 알루미늄 플라스틱 필름 전체를 고정 장치에 삽입하고 상단 밀봉기로 옮겨 상단 밀봉 및 측면 밀봉 작업을 진행합니다. 포장 과정에서 두 개의 밀봉 헤드를 특정 온도(일반적으로 약 180°C)로 예열해야 합니다. 밀봉 헤드가 닫히고 알루미늄 플라스틱 필름에 압력을 가하면 내부 PP(폴리프로필렌) 층이 가열되어 용융되어 접착력을 통해 알루미늄 플라스틱 필름이 견고하게 접착됩니다.

상단 밀봉 공정 세부 정보: 상단 밀봉 공정의 핵심은 탭 영역의 밀봉입니다. 이 공정은 탭의 핵심 요소인 탭 접착제에 의존합니다. 탭 접착제는 열융착 및 접착 특성을 가지고 있습니다. 탭 접착제 내부의 PP 소재와 알루미늄-플라스틱 필름의 PP 층은 가열 조건에서 동시에 용융되어 일체형 밀봉 구조를 형성합니다. 이 공정은 탭을 외부와 분리하여 단락 위험을 방지할 뿐만 아니라, 재료 간의 분자 단위 결합을 통해 포장 강도와 기밀성을 향상시켜 파우치 배터리의 안전 성능을 보장합니다.

파우치 셀의 상단 및 측면 밀봉이 완료되면, 코일 코어의 정렬을 확인하기 위한 X-선 검사를 통해 내부 구조가 정확하고 오류가 없는지 확인해야 합니다. 검사가 통과되면 배터리 셀은 건조실로 이동하여 탈수 공정을 거칩니다. 건조 환경에서 일정 시간 동안 방치하여 알루미늄 플라스틱 필름과 내부 잔여물의 수증기를 제거함으로써 후속 성능에 영향을 미치지 않도록 합니다.

그런 다음 충진 및 밀봉 공정으로 진행됩니다(일부 공장에서는 전해액 부식 방지를 위해 알루미늄 플라스틱 필름을 보호하기 위해 충진 전 코팅 공정을 추가하기도 합니다). 이 시점에서 배터리 셀은 가스 백 영역의 개구부, 즉 충진 채널만 유지합니다. 충진이 완료되면 상단 및 측면 밀봉과 동일한 열 밀봉 원리를 사용하여 가스 백 가장자리를 사전 밀봉(즉, "한 번 더 밀봉")해야 합니다. 이렇게 하여 알루미늄 플라스틱 필름의 PP 층을 녹여 접합하여 배터리 셀의 내부 환경과 외부 환경 사이의 완벽한 격리를 달성합니다. 이 시점에서 소프트팩 배터리 셀의 주요 패키징 공정이 기본적으로 완료되며, 이후 성형 및 용량 측정과 같은 단계가 진행됩니다.

형성이 완료되면 배터리 셀은 2차 밀봉 공정으로 들어갑니다. 이 공정은 두 단계로 구성됩니다. 첫째, 배터리 셀 내부의 가스를 추출합니다(일부 회사는 이 공정을 별도의 탈기 공정으로 명시합니다). 둘째, 배터리 셀을 재밀봉하여 배터리의 밀봉 성능을 보장합니다. 또한, 일부 회사는 2차 밀봉 후 에어백 절단 및 엣지 폴딩 공정을 추가합니다. 대용량 및 고가스 발생 배터리의 경우, 일부 회사는 사전 탈기, 형성, 사전 탈기, 2차 밀봉이라는 특수 공정을 채택합니다.

두 번째 밀봉 공정에서는 가스 백을 먼저 절단 날로 뚫은 후 진공 상태로 만듭니다. 이렇게 하면 백 내부의 가스와 소량의 전해액이 추출됩니다. 그 후, 밀봉 헤드를 밀봉 영역에 밀봉하여 배터리 셀의 기밀성을 확보합니다. 마지막으로, 밀봉된 배터리 셀의 가스 백을 절단하고, 절단 후 배터리 셀의 폭이 제한을 초과하지 않도록 트리밍 및 폴딩 작업을 수행합니다. 이렇게 하여 소프트팩 배터리 셀이 기본적으로 형성됩니다.

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