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배터리 셀 및 모듈 | TRUMPF
TRUMPF Applikation Busbarschweißen Batteriezelle

도전: 경제적이면서도 공정 안전성을 보장하는 e-모빌리티용 고성능 리튬 이온 배터리 제조 방식

전기차를 만들 때 오늘날 전해액 기반 리튬 이온 배터리가 거의 대부분의 차량에 장착되고 있습니다. 또는 고체 전지나 다른 화학 물질의 구성이 아직까지는 산업용으로 사용하기에 충분한 요건을 갖추지 못한 상태입니다.

리튬 이온 배터리의 제조는 매우 복잡하고 민감한 프로세스로서 높은 재료 소모와 에너지 비용 증가가 수반됩니다. 따라서 제조 프로세스는 매우 효율적으로서 높은 개수로 제조되는 중에 불량품은 전혀 찾아볼 수 없어야 합니다. 배터리 업계의 가장 상위 목표는 중량 측정식 에너지 밀도(Wh/kg)와 이를 통한 긴 마일리지(주행가능거리)를 얻는 것입니다. 그리고 이는 전기차의 주행가능거리에서 바로 확인할 수 있습니다. 또한 자동차 산업의 안전, 퍼포먼스 및 수명과 관련한 높은 요건을 충족하는 배터리 셀을 개발하고 제조하고자 합니다. 이때 사용되는 툴로서의 레이저는 공정 안전성, 정밀성 및 출력 부분에 있어 다른 툴이 제공하지 못하는 장점을 제공합니다.

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다양한 셀 유형, 동일한 애플리케이션

e-모빌리티에서 세 가지 리튬 이온 배터리 모델 및 형식이 사용됩니다. 모든 모델의 기능 원리는 기본적으로 동일합니다. 주요 차이점은 그 설계 방식, 요건 및 사용된 소재입니다.

레이저는 배터리 셀 제조 과정 중 언제 사용됩니까?

프로세스 체인 내에서 선택한 키 애플리케이션(예: 프리즈마 셀)

버스 바 용접

개별 셀을 모듈 또는 팩에 연결하는 작업은 이른바 버스 바 용접을 통해 이루어집니다. 이때 버스 바는 전류가 흐르는 레일을 말합니다. 프리즈마 셀 또는 셀 모듈은 동일한 재료(Al/Al 또는 Cu/Cu), 또는 혼합 연결(예: Al/Cu)를 이용하여 연결할 수 있습니다. 이때 연결부는 차량에서 진동과 열기에 지속적으로 노출됩니다. 따라서 수동으로 단단히 조여진 상태여야 합니다. 마찬가지로 전기 연결부는 저항이 거의 없는 상태로 장기간 유지되어야 합니다. 용접 프로세스가 진행되는 동안에는 스패터가 최대한 적게 발생하도록 해야 합니다. 마찬가지로 재생성, 최소한의 열 유입 및 규정된 용입 깊이 역시 중요한 역할입니다.

배터리 필름 절단

배터리 필름을 절단할 때 두 가지 애플리케이션 영역이 있습니다. 먼저 "절단", 연속적인 종방향 절단 또는 마더 코일(한면 또는 양면에 코팅된 전극 필름)의 분리를 의미합니다. 이 코일은 여러 개의 서브 코일(부분)으로 절단됩니다. 이때 레이저는 고정된 위치에 있으며, 코일이 지속적으로 레이저 빔을 통과하여 롤러에서 롤러로 진행됩니다.

두 번째 애플리케이션 영역은 코팅된 전극 필름의 컨투어 절단입니다. 이때 코일 전극(양극/음극)에서 필요한 형태와 숫자만큼 절단됩니다. 스캔 영역을 확대하기 위해 스캐너 광학장치 및 움직인 축 또는 다른 레이저와 함께 조합하면 레이저가 전극 필름을 원하는 형태로 절단합니다. 컨투어 절단 시 속도는 1m/s 이상입니다. 필름 두께(필름 자체 및 활성제를 이용한 양면 코팅층)는 100 ~ 250 µm 사이입니다. 두 애플리케이션에서 TRUMPF 레이저는 배터리 제조사의 절단 속도, 열 영향 구역, 버 형성 및 입자 또는 스패틀 형성에 관한 업격한 요건을 충족합니다.

배터리 필름 용접

전극 필름은 아주 얇은 구리 또는 알루미늄 필름(두께: 6 ~ 14µm)으로 양극 및 음극으로 사용되는 활성제용 캐리어 필름으로 사용됩니다. 필름은 개별 접점 면(30~60 레이어)에 쌓거나 감은 상태로 각각의 양극과 음극에 함께 용접할 수 있습니다. 당상의 레이저를 이용하면 공작물 한면에서 접근할 수 있습니다. 60 레이어 필름은 안정적으로 쌓아둘 수 있으며 스패터 형성이 최소화될 경우 용접할 수 있습니다.

Can-Cap 용접

TRUMPF 레이저는 전극 패키지가 장착된, 기본적으로 딥 드로잉 처리된 배터리 하우징(벽 두께 0.6 - 0.8mm)으로 구성된 프리즘 배터리 하우징(Can)과 기밀성 처리된 하우징 커버(Cap) 1.0 - 1.8mm를 차단하며, 이때 구멍, 균열 또는 울퉁불퉁한 심과 같은 오류가 없습니다. 이 용접 프로세스는 최점단 기술로서 축에 따라 이동하는 고정 디자인과 10-12m/min의 용접 속도로 작업이 진행됩니다. TRUMPF 테크놀로지 BrightLineWeld는 스패터가 거의 발생하지 않도록 용접하고 최고 수준의 공정 안정성을 자랑합니다. PFO 스캐너 광학장치 및 센서 시스템이 장착될 경우 용접 속도가 25m/min 이상인 하이 다이내믹 솔루션이 가능해집니다.

모듈 하우징

배터리 모듈은 함께 연결된 여러 개의 배터리 셀로 구성되며 하나의 모듈 하우징에 들어 있는 하나의 출력 단위를 이룹니다. 모듈 하우징은 사용된 셀 형식에 따라 각각 다른 기능을 수행합니다. 기본적으로 여기에는 알루미늄 함금과 부분적으로 스테인리스 스틸이 사용되며, 이 소재는 중간 정도에서 매우 높은 인장강도를 보여줍니다. 당사의 Highpower IR 레이저는 이 하우징을 균열이나 변형 없이 최고의 강도로 용접합니다.

레이저를 이용한 청소와 구성

배터리 셀 또는 배터리 모듈의 경우 레이저를 이용한 다양한 청소 및 구성 대상에 해당하는 많은 수의 애플리케이션도 보입니다. 청소와 구성은 먼저 전극 수준에서 시작되며 이때 활성제가 부분적으로 분리되거나 체계화해야 합니다. 그리고 배터리의 셀 또는 모듈 하우징에서 마쳐야 합니다. 이 위치 표면은 더 나은 부착을 위해 거칠게 처리되어 있습니다. 또는 절연 페인팅, 산성 얼룩 및 산화물 층 역시 제거해야 합니다. 여기에서 초단 또는 극초단 펄스 레이저의 전체 출력 포트폴리오가 사용됩니다.

부품 레이저 마킹

TRUMPF 마킹 레이저가 민감한 배터리 셀과 해당 하우징에 정밀하게, 그리고 비접촉식으로 라벨링을 수행합니다. 이를 통해 예를 들어 블랙 마킹을 통해 콘트라스트가 매우 높은 전체 부품과 내부식성이 우수한 상태에서 잘 판독될 수 있도록 라벨링할 수 있습니다. 이 긴 수명은 법적으로 요구되는 부품 추적과 기록을 위한 조건입니다.

배터리 셀에 있는 다른 용접 애플리케이션
  • Soft connector 용접
  • 실링 핀 용접
  • 버스트 플레이트 용접
  • 터미널 용접
  • 포치 셀 용접 탭
  • CanCaps의 사전 용접(스티칭)
  • 적재 상태 센서 용접
  • Cu-Al 연결부 용접
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당신의 파트너 TRUMPF

구리 소재 용접을 위한 녹색 파장의 레이저, 스패터와 구멍이 없는 알루미늄 및 구리 용접을 위한 빔 형태(BrightLine Weld), 또는 품질 관리와 프로세스 모니터링을 위한 특수 센서 – TRUMPF는 다양하고 혁신적인 배터리 셀 제조용 솔루션을 제공합니다. 이때 다양한 빔 소스와 광학 장치, 센서 세스템 및 애플리케이션 노하우로 구성된 기술 패키지의 장점을 이용하십시오.

배터리 제조를 위한 제품 포트폴리오

TRUMPF 테크놀로지 BrighLine Weld는 스패터가 거의 발생하지 않는 버스 바 레이저 용접, 소프트 커넥터, Can-Caps 또는 Highpower IR 레이저를 이용한 모듈 하우징에 대한 키입니다. 또한 녹색 파장의 TruDisk 레이저는 반사율이 높은 구리 등과 같은 재료에 사용하기에 적합합니다. 이때 최대 2kW cw 또는 최고 400 W의 중간 출력으로 펄싱 처리됩니다. 규정된 및 일정한 용입 깊이는 이를 통해 구현할 수 있으며 프로세스를 반복할 수 있도록 해줍니다. 열전도 용접의 경우 이 외에도 공작물에 최소로 열이 유입됩니다. 높은 생산성의 자동화된 제조를 위해 당사의 특수 센서 시스템(VisionLine, OCT 및 용입깊이 모니터링)이 개발되었습니다. 이를 통해 항상 전체 사항 기록 및 추적성을 신뢰할 수 있게 됩니다.

당사 고객을 위한 생산적이면서도 출력이 강력한 시스템

당사 TruDisk 레이저 디자인은 레이저 별로 다양한 레이저 배출을 통해 시간 분할 및 이중 작동 모드에서 레이저의 부하를 최적화합니다. 또한 레이저 출력 컨트롤을 통해 공작물애서 레이저 출력이 항상 동일하게 유지되도록 할 수 있습니다.

TRUMPF, 혁신을 보장하는 기업

당사는 애플리케이션 컨설턴트이자 새로운 제조 방법을 가능하게 하는 기업임을 자처합니다. 이를 통해 당사의 깊숙한 업종 관련 정보와 수십 년 동안 레이저 부문의 선구자로서 축적한 경험을 이용해보십시오.

글로벌 플레이어, 하지만 로컬에서 역량을 보이는 지역 강자

당사 전문가와 전 세계 곳곳에 위치한 서비스 네트워크로부터 컨설팅을 받아보십시오. 서비스 또는 애플리케이션 개발이 필요할 경우, 고객님이 계신 곳으로 찾아갑니다. 이를 통해 TRUMPF가 예를 들어 Condition Monitoring Service 전문가 및 알고리즘의 경우 레이저를 모니터링하여 민감한 대형 제조 라인을 특별히 사전 유지 보수할 수 있도록 합니다.

Ditzingen의 TRUMPF Laser Application Center

TRUMPF laser application centre Ditzingen

다양한 케이스, 가치 있는 방문

Ditzingen에 있는 4,000 m²의 대지에 세워진 TRUMPF 레이저 애플리케이션 센터는 전 세계에서 가장 큰 레이저 애플리케이션 센터 중 하나입니다. 당사의 애플리케이션 담당자와 업종 전문가가 애플리케이션 개발 및 최적화 공정을 구체적인 부품을 바탕으로 지원합니다. 다양한 레이저 가공 시스템의 포괄적인 포트폴리오를 이용해보십시오.

본 주제에 흥미를 가질 수 있습니다.

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