리튬 이온 배터리가 어떻게 만들어지는지 파헤쳐 본 적이 있다면 아마도 "코일 가공" 또는 "정밀 성형"과 같은 용어를 들어본 적이 있을 것입니다. 특히 원시 배터리 재료를 사용 가능한 부품으로 전환하기 위해 올바른 장비를 쇼핑하는 경우에는 더욱 그렇습니다. 코일 툴링 공급 회사의 소유주로서 저는 항상 다음과 같은 질문을 받습니다.정확히코일프레스 금형은 배터리 소재용 금형인데 왜 이 작업에 다른 금형보다 중요한가요? 전문 용어에 지친 배터리 업계의 친구를 위해 이것을 분해해 보겠습니다.
먼저 교과서 정의를 잠시 건너뛰겠습니다. 코일 프레스 금형은 배터리 재료의 얇고 연속적인 롤(즉, "코일" 부분)을 정확하고 일관된 부품으로 성형하기 위해 설계된 특수 금속 도구입니다. 여기에서는 지저분하고 고르지 않은 절단이나 뒤틀린 가장자리가 없습니다. 대부분의 배터리 제조업체는 얇은 금속 호일(양극용 구리, 음극용 알루미늄)을 사용하며 때로는 가공 전에 큰 롤에 감겨 있는 활물질 코팅 또는 분리막을 사용합니다. 일반 프레스 금형으로 이를 스탬프하려고 하면 가장자리가 울퉁불퉁해지고 치수가 잘못되거나 심지어 배터리를 작동시키는 섬세한 활성 물질에 균열이 생길 수도 있습니다. 이것이 바로 이 금형이 필요한 곳입니다. 배터리 코일의 유연성과 얇은 두께를 처리하기 위해 특별히 제작되었으며 제어된 압력을 사용하여 핵심 성능 부품을 손상시키지 않고 모양을 만듭니다.
그 이유에 대해 알아 보겠습니다. 배터리 성능은 일관성에 따라 죽거나 죽습니다. 그렇죠? 하나의 양극이 다른 양극보다 0.1mm 더 두껍거나 가장자리가 들쭉날쭉하여 단락을 일으키는 경우 전체 배터리 배치는 쓰레기입니다. 코일 프레스 금형은 롤 스톡을 가져와 라인 속도로 성형하므로 나오는 모든 부품이 동일합니다. 예를 들어, 원통형 리튬 이온 전지 내부에 들어가는 권선 코어를 만들 때 구리 호일을 정확한 길이로 자르고 올바른 탭으로 접은 다음 평평하게 눌러 활성 물질을 고정해야 합니다. 일반 금형은 코일 스톡의 지속적인 흐름을 따라잡을 수 없습니다. 중지했다가 시작하면 시간이 낭비되고 작은 불일치가 발생하여 나중에 큰 배터리 오류가 발생합니다.
자, 궁금하실 것입니다. 이것은 다른 코일 금형과 동일하지 않습니까? 좋은 질문입니다. 유사한 도구가 많이 있기 때문에 명확히 하겠습니다. 코일프레스 금형에 집중독점적으로배터리 코일 재료에 제어되고 균일한 압력을 가하여 단순히 모양을 만드는 것이 아니라 모양을 만들거나 자르는 것입니다. 대조적으로, 코일 성형 금형은 단순히 압력을 가하여 평평하게 하거나 자르는 것이 아니라 곡선 또는 윤곽이 있는 표면이 필요한 파우치 셀의 외부 케이싱과 같은 복잡하고 평평하지 않은 부품을 구부리는 데 더 적합합니다. 우리는 또한 전기 자동차(EV) 배터리 팩의 고정자를 감는 데 사용되는 고정자 슬롯 금형이나 배터리 모듈을 연결하는 무거운 구리 막대를 형성하는 고정자 바 성형 금형과 같은 배터리 구성 요소에 특화된 다른 코일 툴링도 만듭니다. 이 모든 것은 코일 스톡과 함께 작동하지만 프레스 금형은 모든 배터리 셀의 핵심인 코어 포일과 탭의 핵심입니다.
배터리 제조사에게 실제로 중요한 기술적 측면에 대해 이야기해보겠습니다. 배터리 코일 재료는 까다롭습니다. 구리 호일은 10미크론(사람의 머리카락보다 훨씬 얇습니다!)만큼 얇으며 그 위의 활성 물질 코팅은 부서지기 쉽습니다. 잘못된 곰팡이는 호일을 주름지게 하거나 코팅을 깨뜨리거나 나중에 분리기에 구멍을 내는 버(burr)를 남길 수 있습니다. 좋은 코일 프레스 금형은 고급 공구강으로 만들어지며 수백만 번 사용해도 마모되지 않도록 열처리되어 있으며 설계에서 0.001mm 이내(종이 두께보다 촘촘함)의 정밀 연삭 표면을 가지고 있습니다. 또한 압력 제어 기능이 내장되어 있으므로 너무 많은 힘으로 코일을 날려 코팅이 손상되거나 너무 적게 도포하여 와인딩 중에 탭이 느슨해지는 일이 없습니다. 이러한 정밀도 수준은 10년 이상 지속되고 고속도로에서 2,000파운드 이상의 차량에 전력을 공급하는 배터리가 필요한 EV 제조업체에게는 타협할 수 없는 수준입니다.
나는 배터리 제조사가 이 장비의 부분을 다듬었을 때 어떤 일이 일어나는지 직접 목격했습니다. 몇 년 전, 저는 양극 탭에 일반 스탬핑 금형을 사용하려고 시도한 스타트업과 함께 일했습니다. 그들은 툴링 비용을 30% 절감했지만 6개월 이내에 배터리 팩은 12%의 비율로 고장났습니다. 이는 모두 일반 금형이 셀을 단락시키는 작은 버를 남겼기 때문입니다. 그들은 결국 20만 달러 상당의 배터리를 폐기하고 문제를 해결하기 위해 코일 프레스 금형으로 전환해야 했습니다. 그것이 배터리 제조에 관한 것입니다. 아무리 작은 툴링 실수라도 막대한 비용이 듭니다.
이제 이것이 더 넓은 배터리 생산 라인에 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다. 배터리 코일 가공은 원료가 호일로 감겨진 직후와 셀에 감겨지기 직전에 이루어집니다. 코일 공급 시스템은 롤 스톡을 프레스 금형을 통해 지속적으로 끌어당깁니다. 멈추지 않고 기다리지도 않습니다. 따라서 프레스 금형이 느리면 전체 라인이 느려지고 생산 목표를 달성할 수 없습니다. 고품질 코일 프레스 금형은 분당 60미터 이상의 속도로 작동하며, 이는 바로 현대 배터리 기가팩토리에 필요한 것입니다. 탭을 자르고, 감기 위한 노치를 형성하고, 활성 물질을 호일에 눌러 단단히 붙일 수 있습니다. 이 모든 작업을 한 번에 수행할 수 있습니다. 이는 처리 단계를 줄이고, 공장 공간을 절약하며, 부품을 여러 번 처리할 때 발생할 수 있는 오류 가능성을 줄여줍니다.
잠깐, 모든 코일 프레스 금형이 동일하게 만들어지는 것은 아니라는 점도 언급하고 싶습니다. 우리가 디자인할 때코일 프레스 금형, 고객이 사용하는 특정 배터리 소재에 맞게 조정합니다. 일부 제조업체는 구리 양극을 사용하고 일부는 더 깨지기 쉬운 실리콘 기반 양극을 사용하며 일부는 더 두꺼운 알루미늄 음극을 사용합니다. 이에 따라 압력, 절삭날의 선명도, 금형 반쪽 사이의 간격을 조정합니다. 소형 소비자용 배터리(예: 휴대폰 셀)를 제조하는 고객의 경우 10미크론 동박에 최적화된 금형을 제작할 수 있습니다. EV 셀의 경우 수천 번의 충전 주기를 처리할 수 있는 탭을 형성하기 위해 더 많은 압력이 필요한 더 두껍고 무거운 포일에 맞게 조정합니다. 모든 도구에 적용할 수 있는 일률적인 도구는 아니기 때문에 배터리 소재를 잘 알고 있는 공급업체와 협력하는 것이 매우 중요합니다.
확실히 하기 위해 우리가 제공하는 다른 코일 툴링과 비교해 보겠습니다. 파우치 배터리의 외부 껍질을 형성해야 하는 경우 다음을 사용합니다.코일 성형 금형프레스 금형 대신에 얇은 포일에 평평한 압력을 가하는 것이 아니라 구부러지고 유연한 케이싱을 형성하기 때문입니다. EV 트랙션 모터(배터리 시스템의 전력 공급의 일부)용 고정자 작업을 하고 있다면 다음을 살펴보세요.고정자 슬롯 금형또는고정자 바 성형 금형. 이는 셀 양극 및 음극에 사용되는 얇은 포일이 아닌 고정자에 슬롯을 뚫거나 형성해야 하는 두꺼운 구리 막대용으로 만들어졌습니다. 코일 툴링 게임에 깊이 관여하지 않은 경우 이러한 내용을 혼동하기 쉽기 때문에 설명을 요청하는 것을 두려워하지 마십시오.
내가 듣는 일반적인 신화: "코일 프레스 금형은 단지 멋진 스탬프일 뿐입니다." 아니요. 금속 부품용 표준 스탬프는 연속 코일이 아닌 미리 절단된 시트에서 작동합니다. 코일이 공급될 때 코일의 장력을 처리하도록 설계되지 않았습니다. 즉, 라인 속도로 실행할 때 부품이 잘못 정렬될 수 있습니다. 또 다른 신화: "모든 금형의 수명은 동일합니다." 값싼 금형은 100,000주기 동안 지속될 수 있지만, 배터리 재료용으로 제작된 고품질 금형은 500만 회 이상 지속될 수 있습니다. 연중무휴 24시간 운영되는 대규모 공장의 경우 이는 매주 금형을 교체하기 위해 멈추지 않고 1년에 한 번만 교체하면 가동 중지 시간이 크게 절약된다는 의미입니다.
배터리 성능이 향상됨에 따라 코일 프레스 금형의 다음 단계는 무엇입니까? 현재 우리는 현재의 액체 전해질 분리막보다 더 얇고 부서지기 쉬운 고체 전해질과 같은 차세대 배터리 소재를 처리할 수 있는 금형을 개발하고 있습니다. 우리는 재료가 얼마나 민감한지에 관계없이 모든 부품이 완벽한지 확인하기 위해 실시간으로 압력을 추적하는 센서를 통해 훨씬 더 정밀한 제어 기능을 구축하고 있습니다. EV 및 소비자 배터리 수요가 계속 폭발적으로 증가함에 따라 이러한 금형은 더욱 중요해질 것입니다. 금형은 원자재를 휴대폰에서 세미 트럭에 이르기까지 모든 부품에 전원을 공급하는 부품으로 바꾸는 알려지지 않은 영웅입니다.
배터리 제조업체, 툴링 엔지니어 또는 코일 가공 라인을 업그레이드하려는 사람이라면 코일 프레스 금형에서 잠을 자지 마십시오. 이는 단순한 장비가 아닙니다. 부품의 일관성을 유지하고, 고장을 줄이며, 생산 라인의 빠른 가동을 유지하는 것입니다. 귀하의 응용 분야에 어떤 금형이 적합한지 확실하지 않은 경우 문의하십시오. 당사는 소형 소비자 전지에서 대형 EV 팩에 이르기까지 모든 배터리 재료에 대한 맞춤형 솔루션을 전문적으로 제공합니다. 다음 배터리 배치가 최대한 신뢰할 수 있도록 함께 노력합시다.
참고자료
- Liu, J., et al. (2022). “리튬이온 배터리 코일 재료의 정밀 가공: 프레스 금형의 역할.”전원 저널, 532, 231345.
- 국제에너지기구(IEA). (2023).2023년 글로벌 EV 전망: 앞서가는 충전. IEA 간행물, 파리.
- 스미스, AB, 그 외 여러분. (2021). “대량 배터리 코일 가공 시 툴링 마모.”제조 과학 및 공학 저널, 143(10), 101007.
- 배터리산업협회(BIA). (2022). “리튬이온 셀 제조 장비의 품질 표준.” BIA 기술 보고서 2022-04.
