전기차 배터리 작동 원리…"삼성SDI 배터리는 다르다"

[아시아경제 황윤주 기자] 전기차의 엔진 역할을 하는 부품이 바로 2차전지(배터리)다. 현재 사용되는 배터리는 주로 리튬이온 배터리로, 크게 양극, 음극, 전해액, 분리막 4개의 핵심 소재로 구성되어 있다.

리튬이온 배터리의 양극은 전기를 만들어내는 리튬이 가득 차 있는 곳이다. 즉, 리튬의 본가(本家)라고 생각하면 된다. 양극은 리튬과 금속 성분의 조합으로 구성돼 있는데, 대표적인 금속은 NCA(니켈/코발트/알루미늄) 또는 NCM (니켈/코발트/망간)이다.

음극은 양극에 있는 리튬이 외부 영향력에 의해 리튬이온(Li+)과 전자(e-)로 분리되어 나오면 리튬이온(Li+)이 들어가는 집이라고 생각하면 된다. 음극은 주로 흑연이 사용되고 있다.

전해액은 양극에서 음극으로 리튬이온(Li+)이 원활하게 이동할 수 있게 하는 액체로 된 매개체이다. 분리막은 양극과 음극이 서로 만나지 않도록 물리적으로 막아주는 역할을 하는 일종의 막이다. 양극과 음극이 만나면 열이 발생하면서 안전성에 문제가 생길 수 있다.

◆양극과 음극을 만들자… 극판 공정

본격적으로 배터리 제조 과정은 크게 극판 공정 ? 조립 공정 ? 화성 공정의 3단계로 이루어져 있다.

극판 공정은 배터리를 만들 때 가장 기본이 되는 공정이다. 극판이라는 말에서 알 수 있듯이 극판 공정에서는 앞서 살펴본 배터리의 4대 요소 가운데 양극과 음극을 만든다.

극판 공정은 다시 4단계로 구분할 수 있는데, 첫 번째 단계는 믹싱(mixing)이다. 믹싱은 바로 활물질에 전기전도성을 잘 띨 수 있는 물질(도전제)과 접착제(바인더)를 넣고 섞어 혼합물(합제)을 만드는 단계다.

이렇게 믹싱을 마치면 코팅을 한다. 코팅은 금속판 위에 앞서 만든 활물질 혼합물(합제)을 바르는 단계다. 양극에는 알루미늄판을 쓰고, 음극에는 구리판을 사용한다. 코팅을 통해 금속판 위에 혼합물이 고르게 발라지면, 떨어지지 않고 잘 붙어 있을 수 있게 프레스(압축)를 한다. 그 후에는 사이즈에 맞게 극판을 자르는 슬리팅 단계를 거친 후 수분 등을 제거하면 극판 공정은 마무리된다.

◆ 배터리 형태를 만드는 조립 공정

조립 공정에서는 양극판과 음극판 사이에 분리막을 순서대로 쌓은 후 돌돌돌 말아주는 와인딩 과정 또는 양극판과 극판을 잘라서 차곡차곡 쌓아주는 스태킹 공정을 거쳐 배터리의 중간 형태인 '젤리롤'을 만든다.

이렇게 만들어진 젤리롤은 원형과 각형의 경우 알루미늄 캔 속에 들어가게 되고 파우치의 경우는 파우치로 감싼 뒤 밖으로 빠져나가지 못하게 용접 또는 봉합하고 전해액을 주입하면 조립 공정도 완성된다.

특히 국내 3대 배터리 기업 중 한 곳인 삼성SDI의 조립 공정은 자동화로 운영된다. 각 단계별로 정해진 값과 다르게 문제가 발생하면 제조 라인 내에 이상 알림이 울려 경고를 하고, 불량 셀들은 다음 단계로 진행되지 못하도록 자동으로 분류하는 시스템이 적용되어 있다. 이에 완벽한 성능과 품질이 보장된 배터리만이 다음 공정으로 이어진다.

조립 공정까지 마친 배터리는 겉으로 보기에는 우리가 사용하고 있는 배터리의 형태를 띠고 있지만 아직 전기적으로 활성화되지는 않은 상태다. 이 배터리에 전기적 에너지를 부여해 활성화시키는 과정이 바로 화성 공정이다. 화성 공정의 첫 단계는 정해진 온도와 습도에서 일정 시간 동안 보관하는 에이징(aging)이다. 이 과정을 거치면 배터리 내부에 전해액이 고르게 분산되면서 이온의 이동이 최적화된다.

삼성SDI 측은 "삼성SDI에서 생산되는 모든 배터리에 개별 바코드를 부여하고, 주요 제조 공정마다 X-Ray, Vision 검사 등 첨단 장비들을 활용해 배터리 제조과정 내 수 천 개의 항목들을 검사하고 있다"며 "또 모든 배터리 제조 이력을 관리하고, 전수 검사를 통해 무결점 배터리만이 현장으로 출하될 수 있도록 노력한다"고 밝혔다.

황윤주 기자 hyj@asiae.co.kr