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이차전지는 전기차, 스마트폰 등 다양한 전자제품의 핵심 동력원입니다. 본 글에서는 이차전지가 어떤 공정을 거쳐 생산되는지 자세히 살펴봅니다. 전극 제조부터 조립, 활성화 공정까지 단계별 내용을 이해하고, 산업 현장에서 어떤 기술력과 품질관리가 요구되는지 알아보세요.
1. 이차전지 제조 공정의 시작 – 전극 제조
이차전지 제조 공정은 기본적으로 전극 제조 → 조립 → 활성화 및 충방전 공정의 세 단계로 이루어져 있습니다. 그중 첫 번째는 전지의 성능을 좌우하는 전극을 만드는 공정입니다. 전극은 양극(anode)과 음극(cathode)으로 구성되며, 각각 다른 소재와 기술이 필요합니다.
전극 제조는 보통 슬러리(slurry) 공정으로 시작됩니다. 슬러리는 활물질(예: 양극재, 음극재), 바인더, 도전재 등을 혼합한 페이스트 형태로, 이를 기판(집전체) 위에 도포하여 전극판을 만듭니다. 이 혼합물은 특정 비율로 정밀하게 배합되어야 하며, 그 균일도와 점도는 배터리 품질에 큰 영향을 미칩니다.
다음은 코팅 및 건조 공정입니다. 슬러리를 금속 집전체(양극은 알루미늄, 음극은 구리)에 도포하고, 건조기를 통해 수분을 제거합니다. 이 과정에서 도포 두께의 균일성이 유지되어야 전기화학 반응이 효율적으로 일어납니다. 이후 건조된 전극은 압연(roll press) 공정을 통해 일정한 두께와 밀도로 압축되며, 이로 인해 에너지 밀도와 기계적 안정성이 향상됩니다.
마지막 단계는 슬리팅(slitting)입니다. 전극판을 일정한 크기로 자르는 작업으로, 이후 조립 공정에 맞는 크기로 정확히 절단되어야 합니다. 이 단계까지 완료되면 전극 제조가 마무리되며, 다음 단계인 셀 조립 공정으로 넘어가게 됩니다.
전극 제조는 단순히 소재를 바르고 말리는 작업처럼 보일 수 있으나, 그 안에는 정밀한 소재공학, 열처리 기술, 기계 제어 기술이 복합적으로 작용합니다. 품질 불량이 전체 배터리 수명이나 안전성에 직결되기 때문에 매우 중요하게 다뤄지는 공정입니다.
2. 셀 조립과 전지 형성 – 이차전지의 본체 만들기
전극 제조가 완료되면 다음 단계는 셀 조립(Cell Assembly)입니다. 이 단계는 전지의 형태를 실제로 갖추는 과정으로, 전극과 분리막을 조립하여 하나의 셀(cell)을 만드는 작업입니다. 셀의 구조는 크게 원통형, 각형, 파우치형으로 나뉘며, 용도에 따라 설계가 달라집니다.
첫 번째는 스태킹(Stacking) 또는 와인딩(Winding) 공정입니다. 스태킹은 전극과 분리막을 하나씩 층층이 쌓아가는 방식이고, 와인딩은 전극을 말아서 감는 방식입니다. 전기차에 주로 사용되는 파우치형 셀에서는 스태킹 공정이 많이 사용되고, 원통형은 와인딩 방식이 일반적입니다.
다음은 탭 접합(Tab Welding)입니다. 각 전극의 끝단에 있는 전류 수집판(탭)을 연결하는 공정으로, 셀 외부로 전기를 끌어내기 위한 필수 작업입니다. 이 접합의 정밀도와 내구성이 셀의 안전성과 직결되기 때문에 고도의 용접 기술이 사용됩니다.
이후 셀은 용기 삽입 및 전해액 주입(Electrolyte Filling) 과정을 거칩니다. 셀 내부에 전해액을 넣어 이온의 이동을 가능하게 하며, 셀을 밀봉하여 외부와의 접촉을 차단합니다. 이때 사용하는 전해액의 종류와 주입 조건(온도, 압력 등)은 배터리의 성능과 안전성을 결정짓는 핵심 변수입니다.
조립 후에는 포밍(Forming)과 충방전 활성화 공정이 진행됩니다. 전지를 처음으로 충전하여 내부의 전기화학 반응을 활성화시키는 단계로, 이 과정에서 전극 표면에 고체 전해질 계면(SEI)이 형성됩니다. SEI는 전극을 보호하고 충방전 효율을 높이는 필수 요소입니다.
이처럼 셀 조립 공정은 배터리의 외형과 성능을 결정짓는 복합적이고 정밀한 작업입니다. 한 번의 오류도 용납되지 않는 만큼, 자동화 설비와 품질관리 시스템의 역할이 매우 큽니다.
3. 패키징과 검사 – 완제품으로 탄생하는 이차전지
셀 조립까지 완료되면 이차전지는 마지막 단계인 패키징 및 검사 공정을 거쳐 완제품으로 탄생합니다. 이 단계는 배터리를 외부 환경으로부터 보호하고, 출하 전까지 철저한 검사를 통해 품질을 확보하는 매우 중요한 과정입니다.
가장 먼저 이루어지는 공정은 셀 패키징(Packaging)입니다. 파우치형 셀의 경우, 알루미늄 라미네이트 필름에 밀봉해 외부 습기와 산소로부터 전지를 보호합니다. 이 과정은 기밀성과 내구성이 핵심으로, 기계의 열 밀봉(heat sealing) 정확도가 배터리의 수명을 결정짓는 요인이 됩니다.
패키징 후에는 형상 검사 및 전기적 검사가 진행됩니다. 외관상의 결함(주름, 스크래치, 누설 여부 등)을 체크하고, 전기적 특성(전압, 내부 저항, 누설 전류 등)을 검사하여 불량품을 사전에 제거합니다. 최신 검사 장비는 X-ray 및 적외선 검사를 통해 내부 결함까지 탐지할 수 있습니다.
마지막은 수명 시험 및 저장 공정입니다. 완제품 배터리는 일정 기간 저장하면서 자기 방전율(Self-discharge)을 확인하고, 고온·저온 테스트, 충격 및 낙하 시험 등을 통해 실제 사용 환경에서의 안전성과 신뢰성을 평가합니다. 이 과정을 통해 합격 판정을 받은 제품만 고객에게 출하됩니다.
또한 완제품 단계에서는 QR코드, RFID, 바코드 등 이력 추적 시스템이 도입되어, 출하 이후 문제가 발생했을 때 제품 이력을 빠르게 추적할 수 있도록 관리되고 있습니다. 최근에는 ESG 경영과 관련해 재활용 가능성과 친환경 포장 여부도 주요 고려사항으로 부각되고 있습니다.
이처럼 이차전지의 마지막 공정은 단순 포장과 검사를 넘어서, 품질 확보, 고객 신뢰 확보, 환경 대응까지 아우르는 복합적인 의미를 지니며, 이차전지 산업의 성패를 가르는 마지막 관문이라 할 수 있습니다.
이차전지 제조 공정은 단순한 조립을 넘어서 정밀한 기술과 철저한 품질관리가 결합된 첨단 산업입니다. 전극 제조에서부터 패키징에 이르기까지 각 단계마다 고도의 전문성과 자동화 기술이 요구되며, 완성도 높은 배터리를 위해 끊임없는 기술 발전이 이어지고 있습니다.
