전기자동차 배터리 레이저 용접 솔루션

레이저는 제조업과 연구 분야에서 재료를 손상시키지 않고 용접하거나 절단할 수 있는 매우 유연한 도구이다. 현재 레이저는 많은 아이디어들이 현실화 되고 있으며, E- 모빌리티에 대해 새로운 추진력을 제공하고 있다.

니콜라우스 페히트(Nikolaus Fecht): 자유 기고가

핵심 내용

  • 지속 가능한 모빌리티의 문을 여는 열쇠는 화석 연료에서 멀어지고 있는 드라이브의 전기화이다.
  • 레이저는 배터리나 연료 전지에 관계없이 표면을 용접하고 절단하는 검증된 유연한 도구이다.
  • 구리와 황동과 같은 비철금속이 배터리와 모터에 많이 적용되고 있어 혼합 재료를 잘 제어해야 한다.
  • 적색 광선 레이저가 빠르고 저렴하게 안정적으로 달성할 수 있는 새로운 방법을 제시한다.

2020년은 전기 이동성에 신호탄을 쏘아 올린 해이다. EU에서 지정한 차량 CO2 배출 규제(CO2 fleet target)가 처음으로 구속력을 갖게 되어, 전기 자동차와 배터리의 효율적인 생산이 갈수록 중요해지고 있다. 2020년 2월 아헨에서는 프라운호퍼 레이저 기술 연구소(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT)가 주최한 두 번째 LSE (Laser Symposium on Electromobility)가 개최되었다. 이번 심포지엄에서 레이저 기술이 성장하는 이유와 레이저가 제공하는 솔루션들이 선보였고, 70명의 관계자들이 참석하여 큰 성황을 이루었다.

프라운호퍼 ILT 마이크로조이닝 그룹 리더인 공학박사 알렉산더 올로윈스키는 “전기 이동성 주제가 우리 모두를 움직이게 합니다. 레이저가 여기에 중요한 역할을 할 것입니다. “

프라운호퍼 ILT의 마이크로 조이닝 그룹 리더인 공학박사 알렉산더 올로윈스키는 다음과 같이 밝혔다. “전자 모빌리티의 주제는 우리 모두를 움직이게 합니다. BMW에 의하면 우리는 결국 긴 주행 거리에 적합한 큰 차량에 맞는 연료 전지와 시내 주행 등 짧은 구간에 적합한 전기 구동 장치를 모두 갖추게 될 것입니다.” 프라운호퍼 ILT 연구소도 이러한 추세를 따르고 있다. 코로나로 인해 아직 개최하지 않은 레이저 콜로키움 수소 LKH2 행사도 상황을 보면서 추진하고 있다.

배터리 셀 용접은 시간이 많이 드는 공정이다

상업용 차량의 전기화 전문 업체인 Quantron AG의 데이비드 플라셴트래거 박사에 의하면 연료 전지를 향한 추세가 이어지는 이유는 배터리에 대한 높은 수요 때문이라고 하였다. 배터리 CVCTO 기술 이사인 데이비드 플라셴트래거는 배터리 용량이 최소 200kWh이고 무게는 1.5t 미만이며 최소 5년에 600 ~ 700V로 4,000회 충전 주기를 충족해야 하는데, 이 배터리가 아직 매우 고가인 것이 문제라고 지적했다. 또한 배터리 생산에도 비용이 많이 들어간다. 데이비드 플라셴트래거는 35,000개의 개별 원형 셀(18650배터리)로 구성된 210kWh 배터리를 예로 들어 설명했다. 접점의 레이저 용접은 약 100,000초(거의 30 시간)이나 걸리며, 재료뿐만 아니라 접점을 연결하고 확인하는 데 많은 노력을 기울여야 하기 때문에 배터리 제조 비용이 상승한다. “배터리 셀을 용접하는 데 걸리는 시간이 여전히 제한 요소로 작용합니다.”(데이비드 플라셴트래거)

산업용 트럭 및 광산 차량용 배터리 시스템 제조업체인 Voltabox AG의 공정 개발 부서 알레산드로 발디니는 배터리 제조 공정을 빠르게 진행할 수 있는 방법을 제시하며, 15,000개의 원형 셀로 구성된 대형 버스용 배터리의 용접 전략을 발표했다. 용접 중 셀을 보호하기 위해 활물질의 온도는 90° C를 초과하지 않아야 한다. Voltabox는 이를 위해 Rofin-Sinar의 단일 모드 IR 레이저를 사용한다. 최대 출력은 300 ~ 450W이며, 보호 가스 없이 200 ~ 250mm/s의 속도로 작동한다. 이 레이저의 음극은 40μm의 용접 깊이에서 일정하게 150N의 높은 인장 강도를 갖는 70μm 폭의 접점을 제공한다. 매개 변수와 냉각 시간을 최적화하여 용접 시간이 3초에서 0.7초로 단축되었다. “용접 깊이가 깊어도 인장 강도가 증가하지 않아 레이저 출력을 최소화할 수 있습니다.”(알레산드로 발디니)

전기 전자 부품 및 시스템 제조업체인 Semikron Elektronik GmbH의 신기술 부서 책임자인 크리스티안 괴블은 구리와 구리의 레이저 용접에 대해 설명했다. 프라운호퍼 ILT와 함께 근적외선 범위(파장 1030nm)에서 Trumpf 디스크 레이저 Trudisk 4001을 사용하여 빠르고(약 0.3m/s) 안정적으로 버스 바에 두꺼운 구리 가닥을 안정적으로 용접하는 프로세스를 개발하였다. 최대 1,800A의 전류와 최대 1,700V의 전압을 위해 설계된 광전지용 전력 전자를 다루기에 견고하고 안정적인 용접이 필요하다. 크리스티안 괴블은 전단 강도가 600N인 연결부가 150ms 내에 생성되기 때문에 결과에 만족하지만 민감한 칩과 세라믹 부품을 보호하기 위해 열 영향 영역의 한계를 준수해야 한다.

프라운호퍼 ILT 실험실 견학에서 레이저를 이용하여 용접한 구리 접점이 전문가들의 시선을 붙잡았다.

안전한 구리 용접에서 혼합 재료 용접까지

프라운호퍼 ILT 금속 재료 마이크로 조이닝 팀 리더인 안드레 호이슬러도 구리 접점 접합에 대한 수요가 높다는 점을 인정했다. 기존 적외선 레이저(파장 약 1000nm)가 1 ~ 6 %의 낮은 흡수율로 인해 알루미늄과 구리 용접에 적합하지 않아 그린 또는 블루 레이저를 많이 사용하였다. 프라운호퍼 ILT 연구소는 블루 레이저(파장 450nm)에 대해 다양한 셀 직경을 위한 링 광학 장치를 개발하였다. “우리는 링 모양의 레이저 빔이 18650과 21700 유형의 서로 다른 원형 셀에 정확히 적응하도록 광학 장치를 지속적으로 조정하였습니다.”(안드레 호이슬러) 따라서 훨씬 짧은 시간에 단일 ‘샷’으로 전체 용접을 달성할 수 있다. 하지만 이 링 광학 장치는 아직 테스트 중이다.

Laserline 혁신 관리자인 Dr. 시몬 브리텐이 블루 레이저의 미래에 대한 질문을 받았고, 그는 “더 낮은 파장도 생각할 수 있고 이를 연구하고 있습니다.”라고 답하였다.

Laserline GmbH도 방출 블루 레이저 다이오드를 직접 사용하는 링 광학 장치를 개발하였다. 매니저인 시몬 브리텐 박사에 따르면 직접 방출 블루 레이저 다이오드는 기존의 그린 레이저보다 효율적이라고 밝혔다. 이를 통해 최대 66 %의 흡수율로 구리를 용접한다. 시몬 브리텐은 블루 광원과 적외선 광원이 함께 작동하는 하이브리드 용접을 설명했다. 이 조합은 레이저 공정을 안정화하고 용접 품질을 향상시켜 간격 너비를 최대 0.6mm까지 늘릴 수 있다. 그렇다면 여기에서 어떻게 더 나아갈 수 있을까? 한 참가자는 “블루 레이저에서 이게 가능합니까?”라고 질문하였고, 시몬 브리텐은 “더 낮은 파장도 생각할 수 있습니다.”라고 화답했다. 현재 흡수율과 효율을 더욱 높인 파장이 355nm인 자외선 범위를 위한 새로운 다이오드가 논의 중이다.

레이저 덕분에 페인트가 빠르게 제거된다!

첨단 기계 엔지니어링 회사인 Manz AG는 실험실 규모에서 대량 생산에 이르기까지 모든 유형의 배터리 구성을 위해 확장 가능한 레이저 시스템인 BLS 500을 제공한다. 이 레이저 시스템은 일반적인 레이저 빔 소스를 장착할 수 있다. 이 시스템은 자동화가 가능하고 생산 라인에 통합할 수 있다. 에너지 저장 기술 영업 전문가 슈테판 베츠에 따르면 이 시스템은 최대 6kW의 레이저 출력으로 절단과 용접 그리고 드릴링 작업을 수행할 수 있다고 한다. 초점 위치를 최적으로 조정하기 위해 각 개별 셀 높이를 조정할 수 있는 유연한 클램핑 시스템이 BLS 500의 특징이다. “덕분에 프로세스 안정성이 높아지는 것으로 입증되었습니다.”(슈테판 베츠)

Clean-Lasersysteme GmbH는 금속 표면의 레이저 기반 세척과 페인트 제거 그리고 러프닝 전문이다. 핵심 기술은 전기 모터에서 사용하는 헤어핀, 즉 권선에 대한 대체품을 가공하는 것이다. 추가 가공에 필요한 절연 바니시 제거에는 레이저가 이상적이다. 레이저는 바니시를 깨끗하고 정확하게 제거할 수 있다. 설정된 목표는 20mm 길이 헤어핀의 모든 측면에서 80μm 두께의 폴리아미드 층을 1초 만에 제거해야 하는 도전적 과제이다. “문제는 레이저를 돌릴 수 없고 와이어도 돌릴 수 없다면 이 목표를 어떻게 달성할 수 있을까”(에드윈 뷔히너 CEO). 하지만 300mm의 작업 영역을 커버하는 자체 개발 유선 광학 장치를 이용하여 성공할 수 있었다.

Clean Laser systeme의 유선 광학 장치를 사용하면, 1초 안에 모든 면에서 20mm 헤어핀 영역에서 코팅을 제거할 수 있다.

IQ Evolution GmbH와 프라운호퍼 ILT에서 개발한 완전히 다른 또 하나의 레이저 공정도 전기 이동성에 사용할 수 있다. 이 공정은 IQ Evolution에서 발전시킨 마이크로 쿨러용 3D 프린팅 프로세스와 다른 디지털 코팅 프로세스를 결합한 것이다. 금속으로 적층 가공된 파워 일렉트로닉스용 히트 싱크에는 절연층과 디스펜서가 있는 경화 공정이 적용된다. 레이저는 전체를 경화시킨다. 첫 번째 결과로 “이 마이크로 쿨러를 사용하여 20kW 고전압 컨버터의 무게를 11kg에서 0.6kg으로, 설치 공간을 14리터에서 0.25리터로 줄일 수 있습니다”라고 IQ Evolution의 전무 이사인 토마스 에베르트가 설명했다. 그는 전도성 구조의 절연 및 생산을 위해 프라운호퍼 ILT에서 개발한 프로세스를 통해 무게와 부피를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이 Orklas 전자 부품이 3D 레이저 프린팅 마이크로 쿨러 위에 있다. 이를 통해 무게를 11kg에서 0.6kg으로 대폭 줄일 수 있었다.

이 프로세스와 그 외 다른 주제들을 2022년 5월 4일~ 6일에 아헨의 AKL ‘22-International Laser Technology Congress에서 또다시 다룰 예정이다.