[2차전지] 4680 배터리 Cell 구조

원형배터리의 구조는 그림과 같은 방식으로 생산되고 양극, 음극, 분리막이 돌돌 말려져 있는 와인딩 방식으로 생산이 된다. 탭리스 구조를 많이 이야기하는데 원래 양극, 음극 탭이 있고 중앙에 심이 들어가 있는 형태이며 아래, 위로 뚜껑을 막게 되어 있다. 기존 배터리는 하단이 막혀있는 캔으로 한방에 만들어진 구조가 많다. 이런 형태에서 4680은 상당히 다른 구조로 형태가 이루어져 있다. 

 

왼쪽에 있는 것이 기존 원형 배터리구조이고 오른쪽에 있는 부분이 4680의 단면구조로 예상되는 부분이다. 기존 기술을 보면 파란색으로 표시된 부분이 음극부분이고 윗부분이 양극부분이다. 

기존에는 tab이라는 것이 단순하게 한개가 내려와 탭 밑바닥을 용접을 한다. 양극도 한개가 튀어나와서 용접을 하는 구조이다. 위쪽 파란색으로 ㄷ자 모양으로 꺽인 부분이 양극과 음극을 분리시켜 주는 구조로 되어 있다. 내부에 들어 있는 극판, 양극, 음극, 분리막이 돌돌 말려 와인딩 되어 있는 부분은 기존과 4680이 거의 같은 모양으로 되어 있다. 4680의 양극, 음극의 끝부분이 말려 있는 형태로 되어 있어 조금 다른 형태이다. 4680의 윗부분을 보면 양극 부분이 구멍이 뚫려 어떤 장치가 달려 있다. 기존은 캔이 아예 막혀있는 구조인데 어떤 면에서 보면 4680은 기존과 아래 위의 형태가 바뀌면서 구조가 달라진 것으로 보인다. 

탭리스 구조의 핵심은 탭이 한 번 용접되느냐, 탭이 여러 갈래로 나와서 열을 분산하느냐이다. 

외부 캔을 살펴보면 검은색으로 표시된 부분이 캔이고 실제 모양은 오른쪽과 같은 형태로 되어 있다. 윗부분에 약간 휘어져 있는 부분은 나중에 화살표 위치같이 크램핑이 되는 구조로 만들기 위한 것이다. 아랫부분은 보이지 않지만 구멍이 나있을 것으로 추정할 수 있다. 

젤리롤이라고 하는 양극, 음극, 분리막이 와인딩되는 공정- 권취공정에서 단면을 살펴보면 구리 부분이 해바라기 모양으로 되어 있는데 이것을 위에서 보면 날개와 같은 형태로 되어 있다. 이 부분은 양극이나 음극이나 마찬가지로 되어 있다. 

양극 부분위를 보면 어떤 물체가 들어있다. 여기에는 양극과 양극 바깥부분을 연결시키는 장치(=터미널)가 들어가야한다. 그 장치로는 왼쪽에 보이는 알루미늄판을 사용한다. 플레이트가 한개 올라가 있는데 플레이트의 형상이 줄무늬같은 부분들이 나와있는데 이것이 극판 부분과 플레이트를 연결시켜주기 위한 용접 부위로 판단이 된다. 

귄취 후 레이저 용접이 되는데 잘 될지 안될지 의문이 다소 있다. 플레이트 형상이 용접이 잘 되게 한다던지 기능이 있다. 기존에 없던 부분이 추가된 것인데 탭리스는 탭리스인데 실제로는 비용이 발생하고 기술적인 난이도가 있는 것으로 보인다. 이러한 구조가 양극에도 있고 음극에도 있다. 

양극 부분을 보면 튀어나와 있는 부분이 있는데 여기는 전기가 통하는 부분이다. (+) 부분이고 표면은 (-)이다. 중앙에 플라스틱으로 되어 있는 부분이 양극과 음극을 분리시켜준다. - 절연을 시켜준다. 터미널이라고 부름.

양극 중앙에 뭔가 절연체가 들어있다.- 캔이 구멍이 뚫어져있고 이 터미널을 넣는 공정이 들어가야한다. - 기존에는 없는 공정임.  이 부분으로 전해액이 나올 수도 있다. 각형, 파우치, 원형 모두 전해액이 많은 양은 아니지만 누액이 되는 경우가 있다. 가스켓 부품이 품질이 일정하게 나와야 하는 것이 중요한 관리 포인트 중에 하나이다. 

동일하게 음극에도 플레이트가 들어간다. 약간은 모양이 다른데 양극쪽은 클램핑이 되지 않고 터미날로 마무리가 되고 음극은 클램핑이 되기 때문에 약간은 떠 있는 평평하지 않고 입체적인 모양이다. 형태는 양극과 마찬가지로 용접을 하기 위한 홈이 파져 있는 것이 관찰된다. 홈 부분이 뒤집혀저 레이저로 용접을 하게 된다. 구리판이 하나 들어있는데 이 구리판의 비용이 만만치 않을 것으로 생각이 든다. 왜 구리판이냐하면 음극이 구리로 되어 있어 같은 금속끼리 용접을 했을 때 잘 붙는 성질을 이용하기 위함이다. (양극은 알루미늄이니 알루미늄 플레이트로 붙여줌) 만일 구리 플레이트를 알루미늄으로 바꾼다면 상당한 원가절감이 될 것으로 보인다 하지만 현재 구리판이 들어갔기 때문에 비용이 상당히 증가하는 요인이 될 것이다. 구리는 용접에 어려움이 있기에 나중에 떨어질 수도 있고 신경써야할 부분이고, 기술이 많이 필요하다. 

양극의 밑부분은 어떻게 되어 있을까? 왼쪽의 사진이 실제 사진인지 모르겠으나, 유출된 사진을 보면 플레이트 하나가 들어가는데 가운데 구멍이 뚫려있다. 옆부분을 클램핑하고 나서 가운데 구멍 부분으로 전해액을 주입한다고 알려져있다. 이전 모델에서는 전해액 구멍이 없는데 진공 상태로 만들어 주액을 하면 빨리 들어가기 때문에 공정상의 이유 때문에 이러한 형태를 띄게 된 것으로 보인다. 다만 주액 이후에 마감을 잘해야할 것이다. 클램핑하는 것은 기존 기술과 동일하고 예전에는 가끔 문제가 되기도 했지만 요즘에는 워낙 기술이 좋아서 문제가 없어 보인다. 오른쪽 아래를 보면 클램핑할 때 실링을 하는 가스켓이 들어가고 눌러준다. (2170을 예로 들었지만 4680도 형태는 동일하지만 2170은 막혀있고 4680은 뚫려있다.)

각 배터리 셀업체에서 각기 4680 배터리를 개발하고 있는데 4680을 만드는 중국 기업을 보면 상부절연판이라는 구조가 들어가 있다. 테슬라 4680은 2170 대비 안전장치가 다소 부족해 보이는데 테슬라도 이런 장치가 더 들어가 있지 않을까 추측을 할 수 있다. 이런 부분이 많이 들어갈수록 원가가 증가한다. 

실제 Packing을 할 때에는 (+) 부분이 (+) 부분과 연결이 되고 (-) 부분이 (-) 부분과 연결이 되는데 이런 식이면 플레이트도 기존하고 달라진다. 2170 와이어 용접은 사라질 것이다. 

 

 

https://youtu.be/uxJF3r3VhCU