파우치형, 각형, 원통형 등 EV 배터리 유형별 제조 공정의 차이점은?

소비자는 전기차(EV)를 선택할 때 그 어느 때보다 더 많은 선택권을 가지게 되었고, 이에 따라 제조업체는 점점 더 혼잡해지는 시장에서 혁신을 통해 돋보여야 하는 상황에 직면하게 됐다. EV 산업은 비용을 절감하고 처리량을 늘려 더 많은 채택을 유도하고 차량의 접근성을 높이는데 주력하고 있다. 동시에 배터리 생산업체와 자동차 제조업체는 전기차가 엄격한 안전 요건과 성능 표준을 충족하도록 해야 한다.

배터리는 전기차 가격의 최대 40%를 차지할 수 있으므로, 비용 절감을 위한 논리적인 출발점이되며, 머신 비전을 사용한 자동화는 배터리 생산 비용을 낮추는 데 필수적이다. 제조업체와 OEM은 이 기술을 사용하여 배터리의 결함을 검사하고, 셀을 모듈로 안내하고, 조립을 확인하고, 특징을 측정하고, 부품을 식별한다. 그러나 조립되는 배터리 유형에 따라 자동화에 대한 다양한 과제가 발생할 수 있다.

파우치형, 각형, 원통형 EV 배터리셀은 모두 동일한 기능을 수행한다. 제조업체들은 이 셀들을 EV 배터리 모듈과 팩으로 조립한다. 그러나 이러한 배터리 셀의 고유한 특성과 제조상의 장애물, 그리고 머신 비전으로 이러한 장애물을 해결하는 방법을 이해하는 것이 EV 비용을 낮추는 데 중요하다.

모든 리튬이온 EV 배터리는 전극 제조에서 시작된다. 이 과정에서 배터리 제조업체는 탄소, 흑연 및 기타 요소를 혼합하여 금속시트에 부어 음극과 양극을 형성한다. 여기에서 많은 제조 유사점이 존재하지만, 그 이후로는 각 배터리 셀이 고유한 이점과 제조상의 도전 과제를 드러낸다.

▲ (사진 왼쪽부터) 머신 비전 시스템이 전극 코팅의 폭을 측정하고, 원통형 배터리의 결함을 감지하고, 셀을 모듈 하우징으로 안내하고, 각형 배터리의 코드를 식별한다.

파우치형 셀

제조 공정: 분리막 재료와 전극으로 코팅된 양극과 음극을 시트로 절단하여 다층 알루미늄 복합 호일로 만든 파우치형에 넣는다. 그런 다음 배터리 제조업체는 호일의 가장자리를 밀봉하고 탭을 용접한 다음 파우치형에 액체 전해질을 채운다. 마지막으로 셀은 셀형성이라는 공정에서 다양한 노화 및 가스제거 절차를 거친다.

장점: 일부 제조업체는 다른 구조에 비해 내구성이 뛰어나고 크기가 작고 균일한 파우치형 배터리를 선호한다. 파우치형 배터리는 일반적으로 로봇이 양극 또는 음극 시트 하나를 집어 분리막 위에 올려 놓은 다음 그 위에 다음 양극 또는 음극을 올려놓는 셀 시트 스태킹 또는 ‘Z 접기’를 통해 제조된다.

파우치형 셀 지지자들은 적층 방식이 원통형 및 일부 프리즘 형상에 사용되는 와인딩 방식보다 열을 더 고르게 분산할 수 있다고 말한다. 파우치형 셀은 단단한 케이스가 없기 때문에 제조 비용이 더 저렴하고 에너지 밀도가 높다.

단점: 배터리 시스템의 설계 및 요구 사항에 따라 파우치형 배터리 형상의 장점 중 일부는 단점이 될 수도 있다. 케이스가 없기 때문에 제조 비용과 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높일 수 있지만, 파우치 셀은 특정 충전 횟수가 지나면 부피가 최대 10%까지 부풀어 오를 수 있다. 일부 파우치 모듈 설계에서는 파우치에서 열을 전달하기 위해 각 파우치 셀 사이에 알루미늄 열전달판이 필요하다. 모듈의 설계와 셀 수에 따라 이러한 열 관리 시스템은 파우치 셀의 장점 중 일부를 상쇄할 수 있다.

해결 과제: 파우치형 전기차 배터리는 금속성이고 유연하기 때문에 반사광과 주름이 많이 발생하여 결함 감지가 어렵다. 검사 과정에서 결함을 놓치면 배터리 성능과 무결성이 손상될 수 있다. 그러나 허용 가능한 외관상의 결함을 파우치 표면의 심각한 결함으로 착각하면 폐기율과 비용이 높아질 수 있다. 스크래치와 같은 결함과 허용 가능한 흠집의 차이는 몇 미크론에 불과할 수 있다.

솔루션: 규칙 기반 머신 비전 솔루션으로 파우치형 셀의 결함을 감지하는 것은 너무 복잡하며, 규칙은 수백가지의 변수와 반복되는 결함 및 허용 가능한 이상을 고려해야 한다. 또한 사용자는 종종 짧은 시간에 다른 사양과 디자인을 요구하며 공급업체, 제조 기술 또는 재료가 변경되면 새로운 문제와 결함이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Cognex는 수천 개의 라벨링 이미지를 분석하여 ‘양호’ 및 ‘불량’ 배터리가 무엇인지 학습하는 AI기반 머신비전 소프트웨어인 ‘VisionPro Deep Learning’을 개발했다. 머신비전 시스템과 결합된 VisionPro Deep Learning은 배터리 검사를 자동화하여 배터리 품질을 유지하면서 비용과 검사시간을 줄여준다. 컴퓨터 이미징 기술은 파우치 배터리 표면을 다양한 각도에서 조명하여 미묘한 결함이나 특징을 밝혀내어 더 나은 검사 결과를 제공할 수 있다.

각형 셀

제조 공정: 각형 셀은 전극으로 코팅된 양극, 음극, 분리막 소재를 단일 층으로 감거나 함께 쌓아서 제조한다. 배열이 완료되면 셀 시트는 직사각형 금속 하우징에 삽입된다. 일반적으로 적층형 셀 시트는 더 많은 에너지를 방출하고 더 나은 성능을 발휘하는 반면, 말거나 감은 셀 시트는 더 많은 에너지를 포함하고 수명이 길어진다.

장점: 각형 배터리 셀은 직사각형이기 때문에 모듈과 팩에서 더나은 에너지 밀도를 나타내며 셀 사이에 낭비되는 공간이 없다. 일부 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리보다 더 널리 사용되고 비용 효율적인 재료를 포함하는 리튬-철-인산염 화학을 각형 셀에 사용한다. 또한 각형 셀은 다른 형상보다 크기 때문에 전기 연결과 배선 하네스가 더 적게 필요하므로 제조 결함의 가능성을 줄일 수 있다.

단점: 각형 배터리 셀의 표준 크기는 제한되어 있다. 배터리 시스템마다 고유한 셀 사양과 치수가 필요할 수 있으므로 대규모 생산이 복잡해지고 비용이 증가할 수 있다. 또한 각형 배터리의 균일한 모양과 큰 크기는 모듈과 팩 수준에서 에너지 밀도를 높이지만, 이 설계는 셀이 밀착되어 있기 때문에 열이 쌓일 곳이 없기 때문에 열 축적을 일으킬 수 있다.

해결 과제: 각형 전기차 배터리 셀 제조에는 많은 용접 작업이 수반된다. 제조업체는 셀 시트 주위에 금속 하우징을 용접하고 하우징 위에 상단 패널 또는 뚜껑을 용접한다. 각형 배터리는 서로 가깝게 쌓여 있기 때문에 셀이 가열되고 냉각될 때 뚜껑이 팽창하고 수축할 수 있는 공간이 있어야 한다. 셀을 모듈에 설치하기 전에 상단 및 측면 패널의 용접 이음새를 검사하는 것은 필수이다.

솔루션: 각형 배터리 용접 이음새의 결함(예: 용접력 부족 및 용접력 초과)은 허용 가능한 이상과 거의 동일하게 보일 수 있으며 모든 형태와 크기로 나타날 수 있다. 결함이 있는 용접의 모든 반복을 설명하고 유사한 허용 가능한 이상 징후로부터 이를 구분하는 것은 규칙 기반 머신비전으로는 너무 복잡하다.

2D 및 3D 머신 비전 시스템과 결합된 Cognex VisionPro Deep Learning은 이러한 미묘한 결함을 감지할 수 있도록 설계됐다. 비전프로 딥러닝의 결함 감지 및 분류 툴은 다양한 ‘정상’ 및 ‘결함’ 용접 변형에 대한 학습을 통해 허용 가능한 외관 결함에서 기능적 결함을 식별하고 분류할 수 있다.

원통형 셀

제조 공정: 파우치형 또는 각형 배터리와 달리 원통형 전기차 배터리 셀은 전극 코팅된 양극, 음극 및 분리막 소재의 시트를 단일 층으로 함께 감아서만 형성된다. 그런 다음 제조업체는 결과물인 실린더 또는 ‘젤리 롤’을 케이스에 삽입하고 액체 전해질을 채운 다음 셀을 밀봉한다.

장점: Tesla, Rivian 및 Lucid 등 수많은 전기차 제조업체가 원통형 전기차 배터리 셀을 선호하고 있으며, 그럴만한 이유가 있다. 기업들은 수십년동안 원통형 배터리를 제조해 왔으며, 수년에 걸쳐 표준화된 크기가 등장하여 각형 및 파우치형 배터리 형상보다 생산 비용이 더 저렴해졌다.

배터리 크기와 제조 공정에 따라 전극을 감거나 굴리는 속도가 분당 200PPM으로 스태킹 또는 ‘Z 접기’의 10PPM에 비해 더 빠를 수 있다는 추산도 있다. 또한 실린더는 본질적으로 다른 형태보다 기계적으로 더 견고하며 더 얇은 배터리 벽을 사용하여 가스 축적을 수용할 수 있으므로 더 안전한 옵션이다.

단점: 원통형 배터리 셀을 모듈에 배치하면 각 셀 사이에 간격이 생긴다. 각 셀 사이의 공간은 열 축적을 줄이지만 모듈에 비어 있는 공간이 많아져 에너지 밀도가 떨어진다. 또한 일부 제조업체에 따르면 원통형 배터리는 추운 환경에서 다른 형상보다 성능이 좋지 않다.

해결 과제: 원통형 배터리 셀의 설계는 추적성을 방해한다. 전기차 배터리 공장에서는 제조 공정, 재료 원산지, 로트 번호와 같은 데이터를 배터리에 직접 새겨진 코드, 즉 직접 부품 마크(DPM)에 기록한다. 이 정보는 리콜을 보다 효과적으로 관리하고, 수많은 규정과 지속 가능성 목표를 준수하며, 생산 공정에서 문제를 분리하는 데 중요하다.

하지만 원통형 배터리에서 DPM을 판독하는 것은 배터리 측면 어디에서나 코드를 찾을 수 있는 독특한 과제이다. 또한 배터리는 둥글고 금속성이기 때문에 코드가 왜곡되고 변형되어 기계가 판독하기 어려운 경우가 많다.

솔루션: Cognex 이미지 기반 바코드 리더기는 첨단 이미지 형성 및 디코딩 기술을 사용하여 이러한 문제를 극복한다. High Dynamic Range Plus(HDR+)는 국소화된 대비를 높여 보다 균일한 이미지를 생성하고 Cognex 바코드 리더기가 더 넓은 시야각을 확보하여 원통형 배터리의 여러면에 있는 코드를 판독할 수 있도록 한다. PowerGrid가 탑재된 2DMax는 텍스처 및 기하학적 데이터를 결합하여 변형되거나 왜곡된 저품질 DPM을 판독하는 알고리즘이다.

새로운 모양과 크기, 블레이드(Blade) 및솔리드 스테이트(Solid-State) 배터리

객관적으로 ‘최고’라고 꼽을 수 있는 EV 배터리 셀은 없다. 각 형상에는 장점과 단점, 고유한 제조 과제가 있기 때문이다. 기업들은 새로운 배터리 제조 기술, 설계및 화학을 실험하고 있으며, 이로 인해 새로운 생산 문제가 발생하고 있다.

선도적인 전기차 제조업체이자 배터리 생산업체인 BYD는 2020년에 ‘블레이드(Blade)’ 배터리를 출시했다. 이 설계는 길고 얇은 직사각형 배터리 셀을 팩에 직접 설치하는 배터리 시스템으로 모듈이 필요 없다. 이 중국 자동차 제조업체는 블레이드 배터리가 다른 리튬 인산철 배터리보다 공간을 50% 더 절약한다고 주장한다.

테슬라는 2023년부터 일부 모델에 블레이드 배터리를 사용하기 시작했으며, 2024년 초에는 포드, GM, 스텔란티스의 티어 1 자동차 공급업체인 보그 워너사가 BYD의 블레이드 배터리를 사용하는 계약을 체결했다.

2020년에 출시된 BYD의 블레이드 배터리는 다른 전기차 배터리 구조에 비해 에너지 밀도와 안전 기능이 더 뛰어나다고 주장한다. 여러 자동차 제조업체와 OEM(주문자 상표 부착 생산)업체가 이 기술에 관심을 보이고 있다.

12개 이상의 자동차 제조업체와 배터리 제조업체도 솔리드 스테이트 (Solid-State) 배터리 기술을 연구하고 있다. 액체 전해질을 멤브레인으로 사용하여 이온을 전도하는 기존 배터리와 달리, 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용한다. 전고체 배터리의 장점으로는 더 나은 에너지 저장, 더 빠른 충전, 더 안전한 전기차를 들 수 있다. 하지만 이 기술은 여전히 발전 중이며, 비평가들은 높은 생산 비용, 검증 부족, 그리고 전고체 배터리가 대량 생산에 적합하기 전에 해결해야 할 다른 장애물들을 지적한다.

Cognex 관계자는 “머신 비전은 셀의 모양에 관계없이 항상 전기차 배터리 제조에 유용한 도구가 될 것이다. 배터리 기술과 제조 기술이 발전함에 따라 결함과 허용 가능한 이상을 구분하고 구성 요소를 추적하는 능력은 제조 업체에게 더욱 중요해질 것이다”라고 강조했다.

자료제공: Cognex(www.cognex.com)