21700 탭리스 원통형 배터리 생산 라인

고출력 드론 셀용 21700 탭리스 원통형 배터리 생산 라인

제품 개요

TOB 21700 탭리스(풀탭) 원통형 셀 생산 라인은 원자재 전극을 완성된 21700 탭리스 셀(포메이션 및 그레이딩 완료)로 변환하는 완전 자동화 통합 제조 시스템으로, 드론 배터리 팩의 까다로운 요구 사항에 맞춰 최적화되었습니다. 이 라인은 전극 혼합 공정을 제외한 전체 제조 공정을 하나의 연속적인 흐름으로 통합하며, 코팅, 캘린더링, 슬리팅, 탭리스 와인딩, 집전체 디스크 용접, 캔 조립, 전해액 주입, 포메이션, 디가싱, 그레이딩 및 에이징 공정이 완전 자동화된 인라인 방식으로 진행됩니다.

이 라인의 핵심 기술은 탭리스(풀탭) 구조입니다. 기존 원통형 셀에서는 호일 가장자리에 용접된 개별 탭을 통해 전류가 수집되는데, 이는 접촉 면적이 작아 전류가 집중되고 열이 발생하며 방전율을 제한하는 원인이 됩니다. 탭리스 셀에서는 코팅되지 않은 호일 가장자리가 전극 전체 폭에 걸쳐 확장되어 젤리롤의 양쪽 끝에 연속적인 '프린지(fringe)' 형태로 노출됩니다. 이 전체 가장자리 전류 경로는 집전체 디스크에 용접되어 탭으로 인한 병목 현상을 완전히 제거합니다. 그 결과 내부 저항이 획기적으로 낮아지고 전자 이동 경로가 짧고 균일해지며, 급격한 스로틀 변경, 고속 상승, 빠른 방전 등 드론이 요구하는 조건에서 훨씬 적은 열 발생으로 높은 연속 방전 전류를 유지할 수 있습니다.

이 라인의 21700 탭리스 포맷은 드론 배터리 셀에 최적화되어 있습니다. 비행 시간을 극대화하기 위한 높은 중량 에너지 밀도, 드론 모터의 순간적인 전력 소모를 견디는 높은 출력 성능, 낮고 일관된 내부 저항, 그리고 후속 공정에서 조립되는 다중 셀 드론 팩의 균형과 신뢰성을 보장하기 위한 엄격한 셀 간 일관성을 제공합니다.

생산 능력(설계 범위): 이 라인은 셀 조립 섹션에서 분당 8~15개(8시간 교대 근무당 약 4,000~7,000개)의 공칭 출력을 내도록 구성되어 있으며, 80%의 종합 설비 효율(OEE) 기준으로 연간 300만~600만 개의 설계 생산 능력을 갖추고 있습니다. 전극 섹션은 조립 처리량에 맞춰 크기가 조정되어 와인딩 섹션에 필요한 코팅, 캘린더링 및 슬리팅된 전극을 공급합니다. 정확한 생산 능력은 최종 구성, 셀 설계 및 전극 레시피에 따라 달라지며, 엔지니어링 견적 단계에서 확정됩니다.

적합한 대상:

• 기존 탭 방식의 21700 셀에서 고출력 탭리스 셀로 전환하려는 드론 배터리 셀 제조업체.
• 인라인 포메이션 및 그레이딩 기능을 갖춘 새로운 파일럿~중형 탭리스 원통형 라인을 구축하려는 리튬 이온 셀 생산 업체.
• 고출력 원통형 애플리케이션을 위해 전극부터 그레이딩된 셀까지 완전 자동화된 추적 가능한 솔루션을 찾는 배터리 제조업체.
• 고성능 드론 팩의 구성 요소로서 일관되고 잘 분류된 21700 탭리스 셀이 필요한 UAV 팩 통합 업체.

드론 배터리 시장에서 이 라인의 위치

드론 배터리는 오늘날 생산되는 가장 까다로운 리튬 이온 애플리케이션 중 하나입니다. 드론 셀은 동시에 다음을 제공해야 합니다:

• 높은 중량 에너지 밀도 — 비행 시간은 셀의 에너지 대 중량 비율에 정비례하므로, 탭 질량을 포함한 모든 비활성 물질의 무게는 손실 요인입니다.
• 높은 방전율 — 드론 모터는 공격적인 기동 중에 10C~20C 이상의 전류를 소모할 수 있으므로, 낮은 내부 저항과 강력한 고전류 경로를 가진 셀이 필요합니다.
• 일관된 셀 간 성능 — 드론 팩은 다중 셀 직렬 구성(일반적으로 3S~6S 이상)으로 이루어지며, 셀 하나만 약해도 전체 팩의 성능이 제한되므로 용량과 내부 저항에 대해 엄격하게 분류된 셀이 필요합니다.
• 열 안정성 — 밀폐되고 가벼운 드론 기체는 냉각이 제한적이므로 셀 내부의 열 발생을 최소화해야 합니다.

탭리스 구조는 출력과 열 문제를 직접적으로 해결합니다. 전체 가장자리 전류 수집 방식은 DCIR을 낮추고 국부적인 발열을 줄이며, 셀이 더 평탄한 전압 곡선으로 높은 전류를 전달할 수 있게 합니다. 이 라인의 인라인 포메이션 및 그레이딩 섹션은 일관성 문제를 해결합니다. 모든 셀은 동일한 생산 흐름 내에서 포메이션, 디가싱, 용량/DCIR 그레이딩을 거쳐 드론 팩에 필요한 정밀하게 매칭된 셀을 생산합니다.

기존 탭 방식의 21700 라인과 비교했을 때, 탭리스 라인은 전극 가장자리 세척(호일 프린지 노출), 탭리스 와인딩(롤 양쪽 끝에 균일한 호일 프린지 생성), 집전체 디스크 레이저 용접(전체 환형 프린지를 집전체에 결합)의 세 가지 공정 영역에서 차이가 있습니다. 이 세 영역이 라인의 기술적 핵심입니다.

라인 공정 및 기능 모듈

이 라인은 연속적인 완전 자동화 흐름으로 구성됩니다. 모듈은 공정 순서대로 설명됩니다.

1단계 — 전극 제조 섹션(인라인)

1. 코팅

캐소드(NMC 기반 고출력 캐소드) 및 애노드 슬러리는 슬롯 다이 또는 전사 코팅 방식으로 알루미늄 및 구리 호일에 각각 코팅되며 인라인 건조가 진행됩니다. 드론 셀의 경우, 코팅은 에너지 밀도와 출력 성능의 균형을 맞추도록 배합되며, 제어된 코팅 균일성(코팅 중량 허용 오차는 일반적으로 ±1.5% 이내)을 유지합니다.

2. 캘린더링

코팅 및 건조된 전극 웹은 목표 밀도로 압축됩니다. 균일한 캘린더링은 에너지 밀도와 출력 성능 모두에 직접적인 영향을 미치는 전극 기공률 제어에 필수적입니다.

3. 슬리팅

캘린더링된 웹은 21700 탭리스 젤리롤에 필요한 정밀한 전극 폭으로 슬리팅됩니다. 슬리팅 품질은 매우 중요합니다. 깨끗하고 버(burr)가 없는 절단면은 탭리스 구조의 기초가 되는데, 슬리팅된 가장자리가 나중에 전체 셀 전류를 전달하는 호일 프린지의 일부가 되기 때문입니다.

4. 전극 가장자리 세척(레이저 어블레이션)

이는 탭리스 전용 첫 번째 단계입니다. 코팅된 전극 웹은 레이저 어블레이션을 통해 가장자리 영역을 선택적으로 세척하여 활성 코팅을 제거하고 스트립 전체 길이에 걸쳐 제어된 폭만큼 베어 호일을 노출시킵니다. 노출된 호일 영역은 전류 수집 프린지가 됩니다. 세척 공정은 8~15µm 호일의 두께를 얇게 하거나, 구멍을 내거나, 과열시키지 않으면서 코팅을 완전히 제거해야 합니다.

5. 버 검사(선택적 인라인)

슬리팅 및 세척된 가장자리는 와인딩 전 고배율 비전 검사를 사용하여 인라인으로 버 높이를 확인할 수 있으며, 이를 통해 후속 공정에서 버로 인한 단락을 방지합니다.

2단계 — 셀 조립 섹션

6. 탭리스 젤리롤 와인딩

세척된 캐소드 스트립, 분리막, 세척된 애노드 스트립은 탭리스 와인딩 스테이션에서 함께 와인딩됩니다. 와인딩 공정은 코팅되지 않은 호일 가장자리가 양쪽 끝에 균일한 '꽃 모양 프린지(flower-fringe)'를 형성하고, 노출된 호일이 전체 둘레에 걸쳐 규칙적으로 분포된 젤리롤을 생산해야 합니다. 가장자리 정렬 제어(일반적으로 ±0.3mm 이내)는 이 프린지의 균일성을 결정하며, 이는 후속 집전체 용접 품질을 결정합니다.

7. 집전체 디스크 레이저 용접

라인에서 가장 중요한 두 개의 탭리스(tabless) 공정 스테이션입니다. 젤리롤의 한쪽 끝에 있는 노출된 음극 포일 가장자리에 양극 집전체 디스크를 용접하고, 다른 쪽 끝의 양극 가장자리에는 음극 집전체 디스크를 용접합니다. 레이저 용접은 얇은 포일을 태우지 않으면서 낮은 균일한 접촉 저항으로 전체 환형 가장자리를 디스크에 접합해야 합니다. 폐루프 용접 모니터링과 100% 용접 검사를 통해 모든 셀의 전류 경로가 완전하고 낮은 저항을 유지하도록 보장합니다.

8. 캔 삽입 및 절연

용접된 젤리롤을 21700 강철 또는 알루미늄 캔에 삽입합니다. 표준 원통형 셀 절연 방식에 따라 전극을 캔과 캡으로부터 분리하기 위해 상단 및 하단 절연 부품(상단 절연 링 포함)을 배치합니다.

9. 캡 용접 / 밀봉

전류 차단 장치(CID)와 벤트가 포함된 캡 어셈블리를 캔에 레이저 용접하여 밀폐된 인클로저를 형성합니다. 밀봉 상태는 누설률 사양을 충족하는지 확인합니다.

10. 전해액 주입

탭리스 젤리롤이 완전히 젖도록 진공 상태에서 셀에 전해액을 주입합니다. 일관된 셀 성능을 위해서는 정확한 주입량 제어와 젖음 관리가 필수적입니다.

3단계 — 화성, 등급 분류 및 에이징(인라인)

11. 화성

주입된 셀은 안정적인 SEI를 형성하기 위해 첫 번째 제어된 충방전 사이클을 거칩니다. 화성은 고출력 셀 설계에 적합한 온도 및 압력 조건에서 수행됩니다. 탭리스 셀의 경우, 낮은 저항 구조 자체가 균일한 화성 전류 분배를 지원합니다.

12. 가스 제거 및 재밀봉

화성 과정에서 발생한 가스는 가스 제거 단계에서 제거되며, 셀은 재밀봉됩니다. 탭리스 셀의 경우, 이 단계는 기존 원통형 셀과 동일한 순서를 따르지만 탭리스 캡 설계의 캔 상단 구조를 사용합니다.

13. 등급 분류 및 에이징

각 셀은 용량별로 등급이 분류되고 ACIR/DCIR이 측정되며, 셀은 정밀한 빈(bin)으로 분류됩니다. 드론 팩의 경우, 셀은 용량과 내부 저항 모두에서 좁은 허용 오차 내에 있어야 합니다. 인라인 등급 분류는 추적성을 위한 데이터와 드론 팩 조립에 필요한 일치된 셀 공급을 생성합니다.

14. 최종 검사 및 출력

셀은 시각적 및 전기적으로 검사되며, 완성되고 등급이 분류된 셀은 포장 또는 직접 팩 조립을 위해 출력됩니다.

탭리스 라인 아키텍처의 주요 엔지니어링 이점

• 전체 가장자리 전류 집전을 통한 낮은 내부 저항- 탭리스 아키텍처는 개별 탭 병목 현상을 제거합니다. 전체 포일 가장자리가 집전체 디스크로 전류를 전달하여 동일한 형식의 기존 탭 셀보다 DCIR을 줄입니다. 드론 셀의 경우, 이는 높은 부하에서 더 평탄한 방전 전압, 높은 비율에서 더 높은 사용 가능 용량, 더 적은 열 발생으로 이어집니다.
• 높은 연속 및 펄스 방전 성능- 전류가 몇 개의 좁은 탭이 아닌 전체 롤 둘레에서 균일하게 집전되기 때문에, 셀은 국부적인 가열과 전류 집중을 줄이면서 높은 방전율(드론 관련 10C–20C+ 범위)을 유지할 수 있습니다. 이것이 21700 탭리스 아키텍처가 고전력 애플리케이션에 채택되는 핵심 이유입니다.
• 드론용 셀 일관성을 위한 인라인 화성 및 등급 분류- 이 라인은 화성, 가스 제거, 등급 분류 및 에이징을 하나의 연속적인 흐름으로 통합합니다. 모든 셀은 동일한 화성 이력을 받으며, 등급 분류 섹션은 셀을 정밀한 용량/DCIR 빈으로 분류합니다. 다중 셀 드론 팩의 경우, 이러한 인라인 일관성이 균형 잡히고 신뢰할 수 있는 팩을 가능하게 합니다.
• 완전 자동화된 추적 가능한 공정- 전체 라인은 중요한 스테이션(가장자리 세척, 집전체 용접, 밀봉)에서의 공정 중 검사와 함께 자동 제어 하에 작동합니다. 각 셀에 대한 공정 및 품질 데이터가 기록되어 드론 OEM 고객이 요구하는 추적성 및 품질 문서를 지원합니다.
• 탭리스 셀을 위해 특별히 제작된 레이저 세척 및 집전체 용접- 라인의 두 가지 탭리스 정의 공정인 포일 가장자리 레이저 세척과 환형 집전체 디스크 레이저 용접은 포일 가장자리 형상에 맞게 특별히 설계되었습니다. 폐루프 용접 제어와 100% 검사는 탭리스 구조에 고유한 실패 모드(불완전 용접, 포일 관통, 불균일한 접촉)를 해결합니다.
• 컴팩트한 통합 풋프린트- 전극 섹션, 셀 조립, 화성/등급 분류를 하나의 흐름으로 통합함으로써 라인은 재공품 취급을 줄이고, 섹션 간 건식 전극의 수분 노출을 최소화하며, 전극에서 등급이 분류된 셀까지의 전체 생산 리드 타임을 단축합니다.

탭리스 vs. 기존 탭 21700 — 공정 비교

일반적인 품질 문제 및 라인 해결 방안

엔지니어링 FAQ

Q1: 탭리스(풀탭) 셀이란 무엇이며, 왜 드론에 사용되나요?

탭리스 셀에서는 코팅되지 않은 집전체 포일 가장자리가 전극 전체 폭에 걸쳐 확장되어 있으며, 젤리롤의 양쪽 끝에 연속적인 가장자리 형태로 노출됩니다. 이 전체 가장자리가 집전판에 용접되므로, 몇 개의 좁은 탭 대신 전체 둘레가 전류를 전도합니다. 드론의 경우, 이는 더 낮은 내부 저항, 더 높은 지속 방전 전류, 더 적은 국부적 발열, 그리고 부하 시 더 평탄한 전압 곡선을 의미하며, 드론 모터가 요구하는 고출력을 제공하는 동시에 에너지 손실을 최소화합니다.

Q2: 라인의 생산 능력은 어느 정도인가요?

이 라인의 공칭 설계 출력은 조립 섹션에서 분당 약 8~15개 셀(8시간 교대 근무당 약 4,000~7,000개 셀)이며, 80% OEE 기준으로 연간 약 300만~600만 개의 셀을 생산할 수 있는 설계 용량을 갖추고 있습니다. 전극 섹션은 조립 처리량에 맞춰 크기가 조정됩니다. 정확한 수치는 셀 설계, 전극 레시피 및 구성에 따라 엔지니어링 견적 단계에서 확정됩니다.

Q3: 라인에 전극 제조 섹션이 포함되어 있나요?

네. 라인 범위에는 전극 제조 섹션(코팅, 캘린더링, 슬리팅)부터 셀 조립, 전해액 주입, 화성, 디가싱, 등급 분류 및 에이징까지 포함됩니다. 전극 슬러리 혼합은 포함되지 않으며, 라인은 준비된 슬러리를 공급받습니다. 이러한 통합 범위는 코팅된 전극부터 등급이 분류된 완제품 셀까지 단일 공급업체, 단일 흐름 솔루션을 제공합니다.

Q4: 화성 및 등급 분류는 인라인으로 수행되나요?

네. 화성, 디가싱, 등급 분류 및 에이징은 동일한 연속 생산 흐름 내에서 인라인으로 통합됩니다. 이를 통해 모든 셀이 동일한 화성 이력을 거치게 되며, 완제품 셀은 출력 전 용량 및 DCIR 등급에 따라 정밀하게 분류됩니다. 이는 드론 팩에 필요한 매칭 셀 공급에 필수적입니다.

Q5: 라인의 자동화 수준은 어느 정도인가요?

이 라인은 전극 언와인딩부터 셀 출력까지 완전 자동화되어 있습니다. 스테이션 간 자재 이송, 공정 제어 및 공정 내 검사가 자동화되어 있으며, 추적성을 위해 공정 및 품질 데이터가 기록됩니다. 작업자의 개입은 감독, 자재 보충 및 유지보수 기능으로 제한됩니다.

Q6: 이 라인 구성의 목표 시장은 어디인가요?

이 구성은 높은 중량 에너지 밀도, 고율 방전, 낮은 내부 저항 및 셀 간의 엄격한 일관성이 요구되는 드론 배터리 셀에 맞게 특별히 조정되었습니다. 동일한 라인 아키텍처를 전동 공구, e-모빌리티, 고율 에너지 저장 장치와 같은 다른 고율 원통형 애플리케이션을 위해 재구성(전극 레시피, 셀 설계 매개변수, 화성 프로파일)할 수 있습니다.

Q7: 이 탭리스 라인과 기존 탭 방식 21700 라인의 주요 차이점은 무엇인가요?

세 가지 공정 영역에서 차이가 있습니다. (1) 개별 탭 노칭을 대체하여 전체 폭의 포일 가장자리를 노출시키는 레이저 어블레이션 방식의 전극 가장자리 세척, (2) 젤리롤 양쪽 끝에 균일한 포일 가장자리를 생성하는 탭리스 와인딩, (3) 여러 개의 개별 탭 용접을 대체하여 전체 환형 가장자리를 집전체에 접합하는 집전판 레이저 용접입니다. 라인의 나머지 부분은 표준 원통형 셀 공정을 따르며, 여기에는 인라인 화성 및 등급 분류가 통합되어 있습니다.

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함께 필요한 제품

▶ 원통형 탭리스 배터리 집전체용 레이저 용접기 - 탭리스 라인에 사용되는 집전판 용접 스테이션입니다. 폐루프 용접 제어를 통해 전체 환형 포일 가장자리를 집전판에 접합하는 전용 레이저 용접기로, 탭리스 셀 성능을 결정짓는 저저항, 고전류 경로를 제공합니다.

▶ 4680/4690 탭리스 원통형 셀 생산 라인 - 동일한 TOB 플랫폼에서 제공하는 더 큰 규격의 탭리스 원통형 셀 생산 라인입니다. 4680/4690 규격에 맞춰 확장된 탭리스 공정 아키텍처(가장자리 세척, 탭리스 와인딩, 집전체 용접, 인라인 화성/등급 분류)를 공유하며, 다중 규격 생산 전략이 필요할 때 21700 라인을 보완합니다.

▶ 대형 원통형 탭리스 배터리 젤리롤 평탄화 기계 - 캔 삽입 전 와인딩된 탭리스 롤을 제어된 타원형/원형 프로파일로 성형하는 젤리롤 평탄화(사전 압축) 기계입니다. 캔 내 탭리스 젤리롤의 밀착력을 향상시키고, 집전체 용접을 위해 포일 가장자리를 안정화하며, 조립 중 내부 응력을 감소시킵니다.