리튬 이온 배터리 제조 공정 검사에 적합한 Linea 라인 스캔 카메라

TeledyneDALSA

전기 자동차 및 태양광 발전 시스템을 위한 리튬 이온 배터리는 녹색 혁명의 성장을 주도할 것이다. 향후 수십 년 동안 현재 에너지를 녹색 에너지로 전환하려면 배터리 생산과 혁신이 필요하다. 리튬 이온 배터리는 전기 자동차, 궁극적으로 비행기, 가정용, 상업용 건물에 이르기까지 거의 모든 전력을 저장하는 중장기 미래의 녹색 에너지 혁명의 핵심 동력이다.

리튬 이온 배터리는 원통형, 파우치 및 각형(배터리 캔이라고도 함)의 세 가지 모양이 있다. 대부분의 가전제품에는 원통형 배터리를 사용하는 반면 스마트폰에는 파우치 배터리도 필요하다.

이렇게 배터리 생산은 전 세계적으로 증가하고 있다. Tesla는 배터리 셀 생산을 위해 2015년 첫 번째 대형공장을 네바다주에, 두 번 째 대형공장을 2017년 뉴욕 버팔로에 설립했다. 앞으로 몇 년 안에 베를린과 텍사스 오스틴에도 각각 같은 공장을 증설할 계획이다.

유럽 배터리 기업인 노스볼트(Northvolt)도 자난해 스웨덴 스켈레프테오(Skellefteå)에 대형 공장을 착공했다. 이렇게 태양 전지와 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 제조업은 산업 생태계의 성장과 생산을 지원하기 위해 발전하고 있다. 여기서 리튬 이온 배터리는 생태 및 경제 혁명의 최전선에 있다.

리튬 이온 배터리의 제조 방법

리튬 이온 배터리는 개념적으로 단순한 장치이다. 음극(양전하)과 양극(음전하) 전극 시트가 교대로 적층되며 각 층 사이에 분리막 시트가 있다. 액체 또는 고체 전해질이 혼합되어 음극과 양극 시트 사이의 에너지 전달이 용이하다. 음극 시트는 알루미늄 호일로 만들어지고 양극 시트는 구리 호일로 만들어진다. 거기에서 각 시트는 전도성, 효율성 및 결합을 촉진하기 위해 특정 재료로 코팅된다.

활성 물질(Active materials): 특정 리튬 이온 배터리의 용량, 전압 및 특성을 결정한다. 음극의 경우 활성 물질에는 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간산 산화물 또는 리튬 철 인산염이 포함된다. 양극은 일반적으로 흑연 또는 리튬 티타나이트와 같은 탄소 재료로 코팅된다.

바인더(Binders): 혼합된 재료를 호일 시트에 접착하는 데 사용한다.

용매(Solvent): 적절한 시트를 코팅할 준비가 될 때까지 슬러리에서 재료 혼합을 촉진한다.

또한 음극에는 내부 저항을 줄이고 전지 내부의 전도도를 증가시키는 전도성 요소가 포함된다.

전극 사이를 통과하는 분리막 시트는 다공성 폴리올레핀 필름(polyolefin film) 소재로 제조되며 아라미드(aramid) 코팅액을 도포한 후 크기에 맞게 절단한다. 적층 전극 시트가 준비되면 원통형, 파우치 또는 각형의 세 가지 형식 중 하나로 배터리 케이스에 넣는다. 배터리의 형태와 특성에 따라 케이스에는 외부 양극 및 음극 단자(전원이 공급되는 장치에 연결), 케이스와 전극 스택 사이의 절연층, 개스킷, 가스 제거 구멍 등이 있다.

리튬 이온 배터리 품질 보증을 위한 카메라 사용

리튬 이온 배터리는 코팅된 전극 시트와 전해질 용매로 실제 제조 공정은 상당히 복잡하고 민감하다. 전극의 코팅 두께는 배터리의 성능이나 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이때 머신러닝 알고리즘으로 구동된 라인 스캔 카메라는 리튬 이온 배터리 제조의 품질 보증 단계를 자동화하고 간소화하는 데 도움이 된다.

Teledyne DALSA의 Linea 라인 스캔 카메라는 공장 생산라인에서 제조 과정을 모니터링할 수 있다. Line scan 카메라는 전극 시트 검사에 매우 적합하다. 전극 시트는 큰 스풀에서 코팅 및 적층 공정을 통해 고속으로 실행되기 때문이다.

검사 카메라의 레이저 프로파일링은 리튬 이온 배터리의 전체 제조공정을 검사할 수 있다. 카메라는 전극 시트 및 코팅의 두께를 측정하고, 덴트(dents, 움푹 페인 곳), 긁힘 또는 구부러진 가장자리와 같은 시트 표면의 결함을 찾는다. 원통형 또는 파우치 배터리의 케이스 치수를 측정하고, 배터리 외부 단자의 용접 품질을 모니터링한다.

리튬 이온 배터리의 성장 가능성

전기 자동차는 2025년까지 차량 전체 판매의 10%를 차지할 것으로 예상된다. 2030년까지 28%, 2040년까지 58%로 가속화될 것이다. 미국 캘리포니아주는 2035년까지 해당 주에서 판매되는 모든 신차와 승용차를 배기가스 제로 차량으로 만드는 것을 목표로 하고 있다.

배터리는 재생 에너지와 쌍을 이루며 함께 성장한다. 미국 에너지 정보국(U.S. Energy Information Administration)은 새로운 에너지 생산 능력의 70%는 재생 가능한 자원(태양열 39%, 풍력 31%)이라고 예상하고 있다. 이에 따라 올해 배터리 생산량도 전년 대비 4배 이상 증가할 전망이다.

제조업체는 다가오는 리튬 이온 배터리 수요를 충족할 수 있도록 준비해야 한다. 라인 스캔 카메라, 레이저 프로파일링 및 머신 러닝을 사용하면 제조업체가 품질 보증과 효율성을 합리화하는 데 도움이 될 것이다.

자료 제공: TeledyneDALSA(www.TeledyneDALSA.com)