전기자동차용 대형 원통 배터리셀의 레이저 용접

최근 전기자동차용으로 개발되고 있는 새로운 배터리는 주행 거리가 길고 충전 시간이 짧으며 수명이 길다는 이점이 있다. 하지만 그만큼 제조상의 어려움도 뒤따르고 있다. 예를 들어, ‘대형 원통 배터리’를 제조하기 위해서 상당히 어렵고 다양한 용접 작업을 거쳐야 한다. 레이저 제조사들은 고품질 용접을 위해 새롭고 경제적인 툴을 이용하여 이러한 어려움에 대응하고 있다.

각형, 원통형, 파우치형 등 3가지 충전식 배터리 가운데, 현재 전기자동차(EV) 제조사에서 가장 선호하지 않는 배터리는 원통형 셀이다. 하지만 다음과 같은 이유로 전기자동차에서 원통형 셀을 더욱 많이 사용하게 될 여지가 충분하다. 첫 번째, 원통형 셀은 다른 셀 보다 제조단가가 낮다($/kWh – 에너지 스토리지 용량당 단가 기준). 셀 크기가 커지면 이러한 비용 척도를 더욱 선호하게 된다. 원통형 배터리가 커지면서 배터리의 부피와 저장 용량이 표면적 보다 빠르게 증가하기 때문이다. 따라서 원통형 배터리의 크기가 커질수록 생산 비용에 비해 저장 용량이 훨씬 빠르게 증가된다.

제조상의 어려움

대형 원통형 전지 생산에서 이루어지는 용접 공정에는(왼쪽부터) 알루미늄 집전판대젤리롤용접, 알루미늄 집전기대젤리롤블랭크용접, 구리 집전판대젤리롤영접, 캔용접을 수반된다.

여러 제조사들은 각자의 다양한 ‘대형 원통형 배터리’ 디자인을 추진한다. 각각의 디자인을 제조하는데 어려움이 수반되며 특히 접합 공정에 어려움을 겪는다. 예를 들어, 일부 배터리 디자인에는 집전판이 있으며, 용접 깊이를 정밀하게 조정하여 집전판을 접합하고 ‘젤리 롤’(말려진 얇은 전극과 절연체로 이루어진 내부 구조물)을 형성해야 한다. 이때 절연체 층이 손상되어 전지 내부에서 단락이 일어나지 않도록 정밀하게 접합 공정을 수행해야 한다. 마찬가지로 단자를 집전 판에 용접할 때도 용입을 세밀하게 제어해야 한다. 과거에는 기계적 크림핑을 사용하여 캡실링 이라는 또 다른 접합 공정을 소형 배터리에 수행해왔다. 하지만 크림핑은 대형셀에는 부적합하기 때문에 새로운 방식이 요구되고 있다.

이처럼 배터리를 생산하는 과장에는 많은 용접 공정이 수반되며 이러한 공정 역시 제조사와 디자인에 따라 다르다. 하지만 가장 어렵고 민감한 공정에는 늘 공통된 요구 사항이 있다. 열 영향부의 최소화와 정확한 용입 깊이 제어 그리고 적은 스패터 및 빠른 가공 속도(일반적으로 200~500mm/sec 범위의 용접) 등이다. 또한 일부 배터리 접합 공정에는 상이한 금속을 용접해야 하는 경우가 있다.

파이버 레이저의 발전

간단한 ARM 파이버 구조도 및 레이저 스폿에서 가능한 다섯 가지 기본 레이저 스폿 패턴.

과거에는 앞서 언급한 모든 요건으로 인해 난관에 부딪혔고, 이 모든 공정을 수행할 수 있는 접합 기술이 없었다. 따라서 제조사들은 다양한 솔루션을 모색할 수밖에 없었다. 적외선 광원을 통해 구리의 낮은 흡수율을 극복하는 구리 용접용 녹색 파장 레이저와 포일을 탭에 접합하는 초음파 용접 등 비 레이저 기반의 방식을 포함했다. 하지만 파이버 레이저를 이용하면 이러한 작업을 대부분 극복할 수 있다. 하지만 단일 소재 표면에서 레이저 에너지의 공간적 시간적 분포를 정밀하게 제어할 수 있어야 하며, 지난 몇 년 사이 이를 제어하는 새로운 방법이 개발되었다.

그 가운데 하나가 ‘빔 워블링’을 사용하는 방법이다. 이는 용접심을 따라 움직이는 속도에 비해 빠른 속도로 레이저 스폿을 수직으로 움직이는 방법이다. 전통적인 TEM00가우시안 분포를 벗어나는 빔 형상을 가진 파이버 레이저는 중요한 혁신이라고 할 수 있다. 이 파이버 레이저는 일반적으로 다수의 스폿을 생성하는 레이저를 사용한다. 코히런트는 ARM (링 조절 모드) 파이버 레이저 기술을 개발해 왔다. 여기에서 포커싱된 빔은 중앙 스폿과 그것을 둘러싸고 있는 동심원 링 레이저 광선으로 구성되어 있다. 두 대의 파이버 레이저에서 나온 출력을 두 개의 동심원 파이버로 된 특수한 전달 파이버로 조합하여 빔을 형성한다. 여기에서 센터 스폿과 링 스폿의 출력을 개별적으로 조절하고 변조할 수 있다는 것이 중요하다.

ARM 기술은 소재의 가열 방식을 매우 정확하고 정밀하게 제어하여 용융풀의 동역학을 관리하고 안정화할 수 있는 이점이 있다. 더욱 일관되고 결정적인 공정이 가능하며, 스패터가 거의 발생하지 않는다. 또한 시간에 따라 출력 비율을 변경할 수 있어 용접 전반을 정밀하게 최적화할 수 있다. 예를 들어, 센터 대비 링 출력 비율을 용접 종료 시에 변경하여 재료가 냉각되는 속도를 조절하고 균열을 방지하여 일부 금속의 입자 크기를 최적화할 수 있다.

이러한 레이저는 구리 용접에 특히 유용하다. 이는 링 빔을 재료 예열에 사용할 수 있어 적외선의 흡수율이 대폭 증가하기 때문이다. 이후 고출력 밀도의 센터 빔을 안정적으로 구리에 커플링할 수 있다. 파이버 레이저의 실질적인 장점과 비용적인 장점 외에도, ARM 파이버 레이저는 구리 용접용 녹색 고체상 레이저의 바람직한 대안이 된다. 또한 표면 품질도 신중하게 고려해야 한다. 기존의 파이버 레이저는 구리를 용접할 수 있지만 표면 품질의 변화에 매우 민감하다. 사진은 샌딩한 구리와 폴리싱한 구리에 고휘도 ARM 레이저 용접의 용접 비드를 보여주고 있다. 두 표면에서 공정이 안정적이고 용접 품질에 변화가 없다.

대형 배터리 설계가 보급되면서 전기자동차가 운전자에게는 더욱 실용적인 제품이 되고, 제조사에는 관련 제조 비용을 절감하게 될 것으로 보인다.하지만 이러한 셀은 크기가 크고 구동 전류가 커서 생산량 기대치가 높기 때문에 진전된 레이저 기반 용접 기술이 필요하다. 레이저 제조사는 생산에 필요한 정밀하고 어려운 접합 작업을 위해 성능과 경제성을 제공하는 제품과 방법으로 응답해왔고, 이미 다른 전기자동차 가공 작업에서 효과를 입증해왔다.