Vacuum Square

리튬 이온 battery 생산 공정은 electrode, cell 그

리고 module/pack 등 다양한 부품을 만들고 이것들

을 조립하는 공정 등 많은 제작 과정들을 거치게 된다.

상세히 설명하면 전극 제조 과정은 mixing, coating,

compressing, drying 단계를 거치게 되고 battery

cell 제조 과정은 slitter/puncher, assembly, Filling,

Formation/aging, grading 그리고 packing 단계를 거

치게 된다. 이러한 단계들을 거치는 동안 진공 기술이 적

용되는데 대표적인 진공 기술 적용 공정은 drying 공정

과 전해액 주입을 위한 filling 공정이다. 그림 1은 조립

이 끝난 battery 예를 보여 주고 있다.

여기서는 battery cell 조립 과정에서 전해액을 주입하

는 공정에 진공 기술이 적용되는 것을 살펴 보도록 한다.

<저자 약력>

주장헌 박사는 1996년 연세대학교 물리학과 박사학위를 받고 에드워드 코리아주식회사에 입사하여 현재까지 근무하고 있으며,

2005년 제 1회 반도체 기술 대상 산업자원부 장관상을 수상하였으며 저서로 <진공기술 실무>와 <진공 이해하기>가 있다.

(jh.joo@edwardsvacuum.com)

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 09 September36

리튬 이온 밧데리 생산 공정을 위한진공 기술

주장헌

│융합카페│

[Fig. 1] 조립을 끝난 리튬 이온 battery 예

물질 화학식 녹는점 끓는점 위헙성위험등급

Lithium

hexafluoroph

osphate

LiF6P, 흰색 결정 분

말. 강력한 흡습성

200℃

열분해

(160℃)

자극성과

부식성

R14,

R21, R22

R41, R43

EC(Ethylene

carbonate)

(CH2O2)2CO, 흰색

에서 노란색 고체.

증기압 : < 0.01

mmHg @20℃

0.02 mmHg @

36.4℃

9.8×10-3 mmHg

@25℃

38℃ 243℃ 발화성 R21, R22

DMC(Dimethyl

carbonate)

C3H6O3,

(C2H5O)2CO, 맑은

액체

증기압 : 18 mmHg

@21.1℃

55.364 mmHg

@25℃

2 ~ 4℃ 90℃

발화성

Flash

point 17℃

DEC(Diethyl

carbonate)

맑은 액체

증기압 : 10 mmHg

@23.8℃

10.8 mmHg @25℃

11.5 mmHg @25℃

59 mmHg @37.8℃

-43℃126℃ ~

128℃

발화성

Flash

point 25℃

EA(Ethyl acetate) -84℃ 77℃ 발화성R41,

R42/43

LiF6P Salt contained in the electrolyte releases hydrogen fluoride(HF) in

contact with water(H2O). Do not heat the electrolyte above 70℃.

R14 : Reacts with water

R21 : Harmful in contact with skin, R22 : Harmful when swallowed

R41 : Risk of serious damage to the eye, R42/43 : May cause sensitization

by inhalation and skin contact

R43 : May cause sensitization by skin contact.

[Table.1] 전해액 물질들의 성질들

리튬 이온 battery에 사용되는 전해액은 다양한 물질들

의 혼합체인데 표1은 혼합체에 들어 가는 몇 가지 물질들

의 성질을 보여 주고 있다. 표 2는 전해액 혼합체를 구성

하는데 이용되는 유기 용제들의 성질을 보여 주고 있다.

전해액 주입 공정은 진공 배기 후, 즉 대기압 이하로

감압한 후 (1) 대기압보다 더 높은 압력까지 다시 가압하

는 방식과 (2) 대기압보다 낮은 압력까지 가압하는 방식

이 사용된다. 이 두 가지 방법은 전해액을 주입하는 cell

용기에 따라 달라지는데 통상적으로 캔 타입(can type)

은 첫 번째 방식을 주로 사용하고 파우치 타입(pouch

type)은 두 번째 방식을 주로 사용한다.

1. 대기압 이상의 압력으로 가압하는 방식

가압 방식은 대기압에서 – 80 kPa ~ - 90 kPa 사이

의 압력까지 진공 배기한 후 액 5.6 bar(g)까지 가압하여

전극과 전극 사이, 전극과 분리막 사이에 전해액이 충분

히 스며들 수 있도록 하게 되는데 이때 전해액을 구성하

는 물질들의 증기압이 서로 다르기 때문에 증기압이 높

은 물질이 먼저 기화되어 빠져 나가게 된다. 이로 인하여

전해액의 조성이 달라지게 되고 리튬 이온 battery의 성

능이 달라질 수 있다.

이렇게 감압하는 과정(진공 배기)하는 과정에서 전해

액을 구성하는 물질들의 증기압 차이로 인해 전해액 특

성이 달라지게 되는 것이다. 즉 그림 4과 같이 전해액이

3가지 물질로 구성되어 있다고 가정하면 대기압(1 atm

= 0 kPa)에서 압력 P2까지 배기하는 동안 온도가 T0를

유지하는 경우라면 물질 A, B, C는 모두 액체 상태를 유

지함으로 기화(진공 배기)로 인한 전해액 변질(조성 변

화)은 일어나지 않을 것이다. 그런데 온도 T0 상태에서

대기압(1 atm = 0 kPa)부터 압력 P1까지 진공 배기하는

경우 물질 C(노란색)가 기화되어 액체 상태가 아닌 기체

상태로 변하기 때문에 남아있는 전해액에서 성분 C가 부

족하게 되어 전해액이 변질(조성 변화)되게 된다. 그러

나, 만일 대기압에서 압력 P2까지 진공 배기하는 동안 온

도가 T2 상태를 유지하는 경우 물질 A, B, C 모두가 액

체 상태에서 기체 상태로 변하기 때문에 전해액이 완전

히 다른 조성을 갖게 된다. 따라서 전해액 조성이 변하지

않는 압력까지 온도 변화없이 진공 배기하는 것이 중요

하다.

그러나 그림 2와 그림 3처럼 진공 배기(감압)하였

다가 다시 가압하는 경우 압력이 대기압보다 높은 경

우 battery 내부에서 진공 배기되지 못한 물질들이 높

37Vacuum Square

융합카페

Solvent분자량(g/mol)

녹는점(℃)

끓는점(℃)

점성(cP)

유전상수

(@25℃)

밀도(g/cm3)

@25℃

Cyclic

Ethylene

carbonate(EC)88 36.4 248

1.86@

40℃89.78 1.321

Propylene

carbonate(PC)102 48.4 242 2.53 64.92 1.2

Linear

Diethyl

carbonate(DEC)118 -43 126 0.75 2.805 0.97

Dimethyl

carbonate(DMC)90 0.5 91 0.59 3.11 1.063

Ethylmethyl

carbonate(EMC)104 -53 108 0.65 2.96 1.0

[Table.2] 유기 용제들의 성질들

[Fig. 2] 감압-가압 방식의 전해질 주입 장치 개략도(가압 압력은 장비, 생

산 조건 등에 따라 달라질 수 있음)

[Fig. 3] 그림 2의 battery 부위 확대도

Vacuum Square

은 압력으로 인하여 다시 액체나 고체로 상변이(phase

transition)하는 경우가 발생하게 되는데 특히 수분

(H2O)이 다시 전해액 속으로 액화되어 들어가면 battery

의 성능과 수명에 많은 영향을 주게 됨으로 감압 과정 역

시 적절한 조건을 충족하도록 하여야 한다.

2. 대기압 이하의 압력으로 가압하는 방식

그림 9는 전해액 주입 장치에 리튬 이온 battery를 넣

고 먼저 진공 배기 후 전해액을 붓고 cell 내부의 공기

를 배기하기 위한 진공 배기 단계를 진행한 후 전해액이

전극과 전극 사이 그리고 전국과 분리막 사이에 잘 들어

가 wetting될 수 있도록 대기압보다 낮은 압력으로 가

압하는 과정을 반복하는 것을 보여 주고 있다. 이때 감

압과 가압 사이의 진공 유지 상태를 짧게 유지하게 되면

생산 시간이 단축되고 생산량이 증가되는 효과가 있으

나 그 시간 간격이 너무 짧으면 전해액과 전지 내부의 잔

류 기체 성분과 수분이 충분히 빠져 나가지 않기 때문에

battery의 성능과 수명에 영향을 줄 수도 있다.

그림 11은 감압(진공 배기) 과정에서 전극과 전극 사

이, 전극과 분리막 사이에 남아 있는 잔류 기체 성분들이

기화되어 나오는 것을 개략적으로 설명하는 것으로 이

그림에서 알 수 있듯이 감압(진공 배기) 과정 후 진공 상

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 09 September38

[Fig. 4] 3가지 전해액 구성 물질들의 증기압 곡선 예

[Fig. 7] Ethyl acetate 증기압 곡선

[Fig. 5] Dimethyl carbonate 증기압 곡선

[Fig. 8] 온도에 따른 전해액 구성 물질들의 상(phase)(@ 1 atm)

[Fig. 6] Diethyl carbonate, OC(OCH2CH3)2 증기압 곡선

태를 유지하는 시간이 너무 짧으면 기포(air bubble)가

내부에서 확산되어 외부로 나오는 것이 원활하지 않게

된다는 것을 설명하고 있다. 따라서, battery 생산량 증

대를 위해 너무 짧은 감압(진공 배기)과 너무 짧은 진공

상태를 유지하는 것은 battery 내부의 잔류 기포와 잔류

수분의 배출을 방해하여 battery 성능과 수명에 영향을

줄 수 있음으로 주의하여야 한다.

앞에서 설명하였듯이 리튬 이온 battery를 생산하는 과

정에서 진공 기술(건조 공정, 전해액 주입공정 등)이 적용

되고 있고 리튬 이온 battery를 비롯한 2차 전지에 대한

요구가 급증함에 따라 대량 생산 체제가 요구되고 있다.

이때 사용되는 진공 기술을 최적 조건에 맞추어 사용하지

않고 단순히 대량 생산 관점에서 사용하게 되면, 진공 배

기 과정 중에 발생하는 잔류 기체 성분들의 온도 저하와

이로 인한 수분 잔류, 그리고 cell 내부에서 충분히 배기

되지 않은 기포와 기화되지 않고 남은 수분 등으로 인하

여 battery의 수명과 성능이 저하될 수 있다.

39Vacuum Square

융합카페

[Fig. 10] 감압(진공 배기)와 가압 과정을 반복할 때 생기는 온도와 압력 변화(Simulation 결과)

[Fig. 11] Battery 내부 잔류 기포와 잔류 수분의 배기 과정

[Fig. 9] 진공 배기와 가압(대기압 이하)의 반복 공정을 통한 전해액 주입 예