리튬 배터리 제조의 배터리 용접기: 장비, 공정 및 응용 분야

작성자: Neil Zhao

배터리 제조에서 불과 몇 밀리미터 크기의 용접 부위는 셀이 10년 동안 일관된 전력을 공급할지, 아니면 몇 달 안에 내부 저항 드리프트가 발생할지를 결정할 수 있습니다. 이는 생산 라인에서 가장 작은 물리적 특징 중 하나이지만, 장기적인 품질 위험의 가장 큰 원인 중 하나이기도 합니다. 배터리 용접은 셀 내의 여러 위치, 즉 탭-대-집전체 연결, 단자 접합부, 케이스 밀봉 지점에 걸쳐 있습니다. 각 위치는 서로 다른 재료 조합, 기하학적 제약 및 실패 결과를 나타냅니다. 사용 가능한 용접 기술, 매개변수 민감도 및 품질 검증 방법을 이해하는 것은 배터리 신뢰성에 핵심적입니다. 다음과 같은 장비 공급업체는TOB NEW ENERGY통합 생산 솔루션의 일부로 초음파 및 레이저 용접 시스템을 제공하며, R&D 연구소부터 기가와트시 규모의 공장에 이르기까지 고객 참여의 모든 단계에서 이러한 질문을 마주합니다.

측면 1: 배터리 셀에서 용접이 나타나는 위치

리튬 이온 셀 내에는 4개의 서로 다른 용접 위치가 존재하며, 각각 다른 요구 사항과 실패 모드를 가지고 있습니다.

배터리 셀에서 나타나는 용접

탭-대-집전체 용접은 양극 탭(알루미늄)을 알루미늄 집전체에, 음극 탭(니켈 또는 니켈 도금 구리)을 구리 집전체에 접합합니다. 이 접합부는 접촉 저항이 극히 낮아야 합니다. 저항이 조금이라도 높으면 충방전 시 국부적인 가열이 발생하기 때문입니다. 또한 후속 취급 과정을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가져야 합니다. 용접 부위 인접한 활물질 코팅을 손상시키지 않고 수행되어야 합니다.

자동차 배터리 탭 용접(탭-대-집전체)

탭-대-단자 용접은 전극 탭을 셀의 외부 단자, 즉 셀 내부와 외부 세계 사이의 전기적 인터페이스에 연결합니다. 일반적으로 10~40겹의 구리 또는 알루미늄 호일 층을 단일 용접 작업으로 접합해야 합니다. 내부 호일이 완전히 접합되지 않는 층간 냉간 용접은 초기 전기 테스트는 통과하지만, 접합되지 않은 층이 분리되면서 사이클링 중에 저항이 상승하는 셀을 만듭니다.

배터리 탭 용접(탭-대-단자 용접)

케이스 밀봉 용접은 각형 셀의 경우 캡 플레이트를 알루미늄 캔에, 원통형 셀의 경우 캡을 강철 캔에 접합합니다. 밀봉 무결성은 셀 수명을 직접적으로 결정합니다. 육안 검사로는 보이지 않는 용접 기공인 미세 누출은 작동 몇 달 동안 습기가 셀 내부로 유입되도록 합니다. 습기는 LiPF₆와 반응하여 HF를 형성하고, 이는 양극을 열화시키며, 전이 금속을 용해하고, SEI를 불안정하게 만듭니다. 셀은 공장 품질 관리를 통과하지만, 6~12개월 후 현장에서 고장이 발생합니다.

각형 셀 case 밀봉 (레이저 용접)

모듈 및 팩 레벨에서의 버스바 용접은 알루미늄 또는 구리 버스바를 통해 여러 셀을 직렬 및 병렬로 연결합니다. 팩 규모에서는 일일 용접 횟수가 수만 건에 달합니다. 신뢰할 수 없는 접합부 하나가 생산 병목 현상이 됩니다. 감지되지 않은 냉간 접합부 하나가 현장 고장이 됩니다.

측면 2: 세 가지 용접 기술

세 가지 용접 기술이 배터리 제조를 지배합니다. 각각은 정밀도-속도-비용 삼각형에서 서로 다른 위치를 차지합니다.

초음파 용접은 고체 상태에서 금속을 접합합니다.TOB NEW ENERGY는 초음파 용접 장비 를 공급하며, 이는 다층 호일 접합이 표준 요구 사항인 배터리 탭 애플리케이션에 사용됩니다. 공작물에 압착된 소노트로드(sonotrode)가 20~40kHz로 진동합니다. 계면에서의 마찰이 열과 소성 변형을 발생시켜, 어느 공작물도 녹이지 않고 야금학적 결합을 생성합니다. 충전재도 없고, 차폐 가스도 없습니다. 인접한 부품에 튈 수 있는 용융 풀도 없습니다.

초음파 배터리 탭 용접기

배터리 제조에서 초음파 용접의 주요 장점은 이종 금속(알루미늄과 구리, 알루미늄과 니켈)을 접합하고 여러 호일 층을 동시에 접합할 수 있다는 점입니다. 소노트로드의 진동이 전체 스택을 통해 전달되어 모든 층 사이에 결합을 생성합니다. 이로 인해 초음파 용접은 10~40개의 호일 층을 단일 작업으로 접합해야 하는 탭-대-집전체 접합부에 가장 선호되는 방식입니다.

주요 한계는 표면 상태에 대한 민감성입니다. 이는 TOB의 용접 애플리케이션 팀이 용접 전 표면 처리 프로토콜과 실시간 소노트로드 변위 모니터링을 통해 관리하는 변수입니다. 알루미늄과 구리 표면의 산화막은 결합을 형성하지 않고 초음파 에너지를 흡수합니다. 오염(오일, 먼지, 잔류 전해질)은 결합 강도를 예측할 수 없게 저하시킵니다. 아침에 완벽하게 용접되던 표면이 주변 습도가 변하여 산화막 성장 속도가 달라지면 오후에는 실패할 수 있습니다.

레이저 용접은 집중된 빔(일반적으로 약 1064나노미터의 파이버 또는 다이오드 레이저)을 사용하여 용접부로 응고되는 용융 풀을 만듭니다. 비접촉식이며 에너지 밀도가 높습니다. 용접 구역 외부의 열 입력을 최소화하면서 깊은 침투가 가능합니다. 빔은 광섬유를 통해 기계식 용접 헤드가 닿을 수 없는 좁은 공간으로 전달될 수 있습니다.

레이저 용접은 케이스 밀봉 애플리케이션을 지배합니다.TOB NEW ENERGY의 레이저 용접 시스템 은 바로 이 기능을 수행합니다. 즉, 각형 및 원통형 셀 케이스 밀봉을 위한 고속 연속 심 용접입니다. 분당 수 미터의 연속 심 용접이라는 높은 용접 속도는 생산 규모의 셀 제조 처리량 요구 사항을 충족합니다. 좁은 열영향부는 용접부에서 수 밀리미터 떨어진 전극 조립체에 대한 열 손상을 최소화합니다. 그러나 알루미늄의 레이저 용접은 특정한 과제를 제시합니다. 1064나노미터에서 알루미늄의 높은 반사율은 초기 레이저 결합이 비효율적임을 의미합니다. 용융 풀이 형성되면 흡수율이 향상됩니다. 반사에서 흡수로의 전환은 용접 시작 시 출력 램핑을 통해 관리되어야 합니다.

각형 셀 레이저 용접기

저항 용접은 공작물을 통해 전류를 흘립니다. 접촉 계면에서의 줄 가열(Joule heating)이 압력 하에서 응고되는 용융 너겟을 생성합니다. 장비 비용이 낮고 기술이 성숙하며 작동이 간단합니다. 저항 용접은 니켈 탭을 강철 캔에 용접하는 비용 중심의 소비자 가전 셀에서 여전히 사용됩니다. 자동차 및 고급 에너지 저장 셀에서는 더 높은 열 입력, 전극 마모에 따른 일관되지 않은 용접 품질, 이종 금속에 대한 제한된 기능으로 인해 초음파 및 레이저 방식으로 대체되었습니다.

측면 3: 용접 품질을 결정하는 매개변수

초음파 용접에서는 세 가지 매개변수가 상호 작용하며, 그 상호 작용은 선형적이지 않습니다. TOB의 초음파 용접 시스템은 이러한 매개변수를 독립적으로 제어하여 공정 엔지니어가 단일 작동 지점에 안주하는 대신 전체 공정 범위를 매핑할 수 있도록 합니다. 낮은 압력과 짧은 시간의 높은 진폭은 낮은 진폭과 높은 압력 및 긴 시간과 동일한 에너지 입력을 전달할 수 있지만, 결과적인 용접 품질, 특히 층간 결합 강도와 호일 얇아짐 현상은 완전히 다를 것입니다. 이러한 상호 작용 때문에 초음파 용접 공정 개발에는 단일 요인 조정이 아닌 통계적 실험 설계 방법이 필요합니다. 한 매개변수를 변경하고 나머지를 다시 최적화하십시오. 반복하십시오.

케이스 밀봉을 위한 레이저 용접에서 공정 윈도우는 좁으며, 이를 찾는 데에는 사양서 이상의 것이 필요합니다. TOB NEW ENERGY의 레이저 용접 시스템은 레이저 소스 제조업체의 일반적인 권장 사항이 아닌, 자사의 용접 연구소에서 개발된 공정 매개변수 맵과 함께 제공됩니다. 레이저 출력과 용접 속도는 단위 길이당 입열량을 결정합니다. 너무 빠르면 불완전한 침투, 불연속적인 이음매, 누설 경로가 발생합니다. 너무 느리면 과도한 입열량으로 인해 캔 변형이 발생하거나 용접부에서 수 밀리미터 떨어진 내부 부품에 열 손상을 줄 수 있습니다. 너무 빠름과 너무 느림 사이의 간격은 공칭 매개변수의 10~15%일 수 있습니다. 공작물 표면에 대한 초점 위치는 용접 단면을 얕고 넓은 형태에서 깊고 좁은 형태로 변화시킵니다. 0.5밀리미터 캔 벽에서 0.2밀리미터의 초점 이동은 완전 침투와 육안 검사는 통과하지만 구조적 무결성이 없는 표면 스케일 용접 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.무결성.

매개변수 편차의 결과는 결코 미미하지 않습니다. 탭-투-컬렉터(tab-to-collector) 초음파 용접이 제대로 되지 않으면 내부 저항이 사양보다 20% 높은 셀이 생성됩니다. 이 셀은 용량 등급 분류를 통과하여 배터리 팩에 들어가고, 모든 충전 주기마다 과도한 열을 발생시키기 시작합니다. 간헐적인 침투가 있는 케이스 밀봉 레이저 용접은 공장 현장에서 헬륨 누설 테스트를 통과하는 셀을 생성합니다(누설률이 테스트 임계값 미만이기 때문). 하지만 이는 수개월의 현장 작동 후 셀을 저하시키는 수분 유입 경로를 열어둡니다. 용접 품질은 최종 검사에서 확인되지 않습니다. 용접부가 만들어지는 순간에 결정됩니다.

측면 4: 품질 검증

파괴 검사는 공정 자격 부여 및 주기적인 검증을 제공합니다.박리 테스트는용접된 층을 분리하는 데 필요한 힘을 측정하며, 이는 초음파 탭 용접에 대한 업계 표준 기계적 테스트입니다. 인장 테스트는 이음매를 파손될 때까지 당겨 파손 모드를 기록합니다. 모재를 통한 파단은 허용되지만, 용접부를 통한 파단은 허용되지 않습니다. 단면 금속 조직 검사는 외부 검사로는 볼 수 없는 침투 깊이, 기공, 균열, 계면 결합과 같은 내부 구조를 드러냅니다.

비파괴 검사는 생산 라인 선별을 제공합니다. 육안 검사는 라인 속도에서 자동화된 머신 비전을 통해 언더컷, 스패터, 불완전한 이음매와 같은 표면 결함을 포착합니다.헬륨 누설 테스트는 케이스 밀봉 무결성을 검증합니다. 1 × 10⁻⁸ Pa·m³/s 미만의 누설률이 표준 자동차 요구 사항입니다. 저항 측정은 탭 용접의 전기적 품질을 확인합니다.

최고 수준의 품질 보증은 공정 내 모니터링으로, 용접 이상을 사후가 아닌 발생 즉시 감지하는 것입니다. 초음파 용접 시스템은 각 용접 주기 동안 소노트로드(sonotrode) 변위 시그니처를 모니터링합니다. 정상적인 변위 곡선에서의 편차(에너지 입력 대비 소노트로드가 너무 빠르거나 느리게 가라앉는 경우)는 사양을 벗어난 이음매를 생성할 표면 상태 변화나 포일 스택 변동을 나타냅니다. 레이저 용접 시스템은 후방 반사광이나 용융 풀의 광학적 방출을 모니터링합니다. 신호의 급증은 스패터를 나타내고, 하락은 이음매의 간극을 나타냅니다. 시스템은 셀이 다음 스테이션으로 이동하기 전에 해당 이음매를 표시합니다.

측면 5: 장비 선택 및 공급업체 평가

배터리 용접기 선택은 세 가지 질문에서 시작됩니다.

"이 장비가 내 재료 조합 및 두께로 테스트되었습니까?" 12마이크론 구리 포일 20개 층을 완벽하게 접합하는 동일한 초음파 용접기가 9마이크론 포일 30개 층에서는 일관되지 않은 접합을 생성할 수 있습니다. 분당 3미터의 속도로 0.5밀리미터 알루미늄 캔 벽을 밀봉하는 동일한 레이저 용접기가 0.3밀리미터 벽에는 완전히 다른 매개변수를 요구할 수 있습니다. TOB NEW ENERGY는 장비 사양을 결정하기 전에 고객별 재료 시험을 통한 용접 샘플과 공정 데이터를 제공합니다. 이는 용접 장비 제조업체와 카탈로그 판매업체를 구분 짓는 사전 엔지니어링의 일종입니다. 장비 사양서만 제공하는 업체는 그렇지 못합니다.

"공정 윈도우는 무엇이며, 입고 재료가 변할 때 어떤 일이 발생합니까?" 생산 재료는 자격 부여 샘플과 동일하지 않습니다. 구리 포일 두께는 허용 오차 범위 내에서 변합니다. 알루미늄 캔 치수는 생산 로트 간에 약간씩 이동합니다. 용접 장비는 사양을 벗어난 이음매를 생성하지 않고 이러한 변동을 수용해야 합니다. 공정 윈도우(용접 품질이 사양 내에 유지되는 재료 조건의 범위)를 정량화할 수 있는 공급업체는 엔지니어링 데이터를 제공합니다. 그렇지 못한 업체는 고객에게 생산 현장에서 직접 윈도우를 발견하라고 요구하는 것입니다.

"장기적인 유지보수 요구 사항은 무엇입니까?" 초음파 소노트로드는 마모됩니다. 레이저 광학 장치는 청소 및 재교정이 필요합니다. 저항 용접 전극은 변형됩니다. 공급업체의 예비 부품 가용성, 소노트로드 재조정 서비스 및 예방적 유지보수 일정은 서비스 수명 동안 장비의 OEE를 결정합니다. 제조업체가 일주일 이내에 교체용 소노트로드를 공급할 수 없는 배터리 용접기는 생산 위험 요소입니다. TOB NEW ENERGY의 애프터서비스 인프라에는 이러한 가동 중단 시나리오를 방지하기 위해 특별히 소노트로드 재조정 및 예비 부품 재고 확보가 포함되어 있습니다.

TOB NEW ENERGY의 용접 장비 포트폴리오는 두 가지 밀봉 관련 특허의 지원을 받습니다. 캡-투-캔(cap-to-can) 밀봉 신뢰성을 다루는 배터리 생산 밀봉 장치(CN202122096808)와 신속한 형식 전환을 가능하게 하는 교체 가능한 밀봉 고정 장치가 있는 밀봉 기계(CN202122023872)입니다. 이는 용접 스테이션이 하나의 셀 형식을 지원하는지 아니면 전체 제품군을 지원하는지를 결정하는 생산 유연성 엔지니어링의 일종입니다.

측면 6: 용접 품질은 검사를 통해 만들어지지 않습니다

가장 엄격한 헬륨 누설 테스트도 이미 존재하는 누설을 감지할 뿐입니다. 불안정한 레이저 용접으로 생성된 누설 경로를 닫을 수는 없습니다. 가장 정교한 소노트로드 변위 모니터링도 불량 용접이 이미 만들어진 후에 감지하므로, 셀을 수리하는 것이 아니라 격리할 수 있게 할 뿐입니다.

용접 이음매의 품질은 용접 공정의 안정성, 즉 에너지 전달의 일관성, 재료 계면의 제어, 장비 정밀도의 유지에 의해 결정됩니다. 이것들은 검사 변수가 아니라 공정 변수입니다. TOB NEW ENERGY와 같은 공급업체는 사내 공정 개발과 공개적으로 검증 가능한 특허를 통해 용접 기술을 뒷받침합니다. 이는 공정의 물리적 실현이며, 그 차이를 이해하는 공급업체는 하드웨어 이상의 가치를 제공합니다.

배터리 용접기 요약: 리튬 이온 배터리 제조에서의 용접은 탭-투-컬렉터, 탭-투-터미널, 케이스 밀봉, 버스바 연결이라는 네 가지 중요한 위치에 걸쳐 있으며, 각각 고유한 재료 조합과 실패 결과를 가집니다. 다층 이종 금속 접합을 위한 초음파 용접, 고속 케이스 밀봉을 위한 레이저 용접, 비용 중심의 소비자용 셀을 위한 저항 용접이라는 세 가지 기술이 주를 이룹니다. 공정 매개변수 제어는 초음파 진폭-압력-시간 상호작용, 레이저 출력-속도-초점 트레이드오프, 박막 배터리 케이스 용접의 특징인 좁은 공정 윈도우 등 용접 품질의 근원을 결정합니다. 품질 검증은 공정 자격을 위한 파괴적 방법, 생산 선별을 위한 비파괴적 방법, 실시간 결함 방지를 위한 공정 내 모니터링에 걸쳐 있습니다. 가장 효과적인 용접 품질 시스템은 이 세 가지를 모두 통합합니다. 왜냐하면 용접 품질은 검사에서 발견되는 것이 아니기 때문입니다. 그것은용접부가 만들어지는 순간에 결정됩니다.

Neil Zhao — 기술 이사, Xiamen TOB New Energy Technology Co., Ltd.