리튬 배터리 제조에서 스태킹과 와인딩 공정의 비교 분석

1. 프로세스 원칙

스태킹 프로세스:

양극판과 음극판을 특정 치수로 절단한 후 분리막과 적층하여 단위 셀을 형성합니다. 이 단위 셀들을 병렬로 쌓아 배터리 모듈을 만듭니다.

와인딩 프로세스:

미리 절단된 양극판, 분리막, 음극판을 고정된 맨드렐에 정해진 순서대로 감아 원통형, 타원형 또는 각기둥 모양으로 압축합니다. 감긴 전극은 원통형 또는 각기둥 모양의 금속 케이스에 넣습니다. 전극 크기와 감는 횟수는 배터리의 설계 용량에 따라 결정됩니다.

2. 전기화학적 성능 비교

적층형 셀은 여러 탭을 병렬로 용접하여 내부 저항을 낮추고, 리튬 이온 이동 경로를 단축합니다. 이는 작동 중 발열을 줄이고 초기 에너지 밀도 저하를 늦춥니다. 반면, 권선형 셀은 단일 탭 전류 출력에 의존하기 때문에 내부 저항이 더 높습니다.

사이클 수명:

스태킹 셀은 탁월한 열 관리 기능을 제공하여 균일한 열 분배를 가능하게 합니다. 와인딩 셀은 구배 구조 및 기계적 특성을 나타내어 열 발산이 불균일하고 국부적인 온도 구배를 초래합니다. 이는 용량 감소를 가속화하고 와인딩 셀의 사이클 수명을 단축시킵니다.

전극 기계적 응력:

적층 전극은 국부적인 응력 집중 없이 균일한 기계적 응력을 받아 충방전 사이클 동안 재료층 손상을 최소화합니다. 권선 셀은 굽힘 지점에서 응력 집중을 발생시켜 전기 부하 시 구조적 파손, 단락, 리튬 도금 위험을 증가시킵니다.

속도 기능:

셀을 적층하면 여러 전극층의 전류 경로를 병렬화하여 속도 성능이 향상되고, 더 빠른 고전류 방전이 가능합니다. 반면, 권선형 셀은 단일 탭 구조의 한계에 직면합니다.

에너지 밀도 설계:

스태킹은 패키징 공간 활용을 최적화하여 활물질 적재량을 극대화하여 에너지 밀도를 높입니다. 권선형 셀은 곡선형 전극 구조와 이중층 분리막 구조로 인해 공간 비효율성이 발생합니다.

3. 프로세스 이점

스태킹 프로세스:

• 높은 체적 용량: 뛰어난 공간 활용으로 동일한 체적 내에서 더 높은 용량을 구현할 수 있습니다.
• 높아진 에너지 밀도: 더 높은 방전 전압 플래토와 체적 용량.
• 설계 유연성: 사용자 정의 가능한 전극 치수로 비표준 셀 형상을 지원합니다.

와인딩 프로세스:

• 간소화된 점용접: 셀당 두 개의 용접 지점만 필요합니다.
• 생산 확장성: 단순화된 2전극 구성으로 공정 제어가 간소화됩니다.
• 효율적인 슬리팅: 단일 양극/음극 슬리팅 작업으로 결함률이 감소합니다.

4. 프로세스 제한

스태킹 프로세스:

• 냉간 용접 위험: 멀티탭 적층으로 인해 용접이 불완전해질 가능성이 높아집니다.
• 낮은 장비 효율성: 국내 스태킹 머신은 층당 0.8초로 작동하는 반면 수입 제품은 층당 0.17초로 작동합니다.

와인딩 프로세스:

• 높은 편파 손실: 단일 탭 설계는 내부 편파를 심화시켜 속도 성능을 저하시킵니다.
• 열 관리 과제: 셀 간 열 분리를 구현하기 어려우면 열 폭주 위험이 커집니다.
• 두께 변화성: 구조적 불균일성으로 인해 탭, 분리기 가장자리 및 셀 측면에서 두께가 고르지 않습니다.

5. 결론

적층 및 권선 공정은 리튬 배터리 제조에 있어 뚜렷한 상충 관계를 나타냅니다. 적층 공정은 에너지 밀도, 열 성능, 그리고 설계 유연성 측면에서 탁월하여 신에너지 자동차 및 에너지 저장 시스템에 이상적입니다. 권선 공정은 가전제품과 같은 대량 생산 애플리케이션에 비용 효율성과 확장성 이점을 제공합니다. 지속적인 기술 발전은 두 방법론을 더욱 최적화하여 리튬 배터리 산업 전반의 혁신을 촉진할 것입니다..

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