이차전지 용어정리 및 2차전지 관련 - 원통형, 각형, 폴리대형

전지(Battery)는 일차전지와 이차전지로 구분됩니다. 일차전지는 보통 충전한 후 한번만 사용되는 전지를 말하며, 이에 반해 이차전지는 연속적인 충방전을 통하여 반영구적으로 사용하는 전지입니다.

이차전지는 외형별로 원형(Cylindrical), 각형(Prismatic), 파우치(Pouch)형 전지로 구분되며 IT제품 등에 사용되는 소형 전지와 전기차(xEV) 등에 사용되는 중대형 전지로구분할 수 있으며, 현재 당사는 원형, 각형, 파우치형 등 모든 종류의 이차전지 장비를 제작하고 있습니다. 

또한 이차전지는 생산 공정별로 크게는 극판공정, 조립공정, 화성공정으로 구분할 수있으며, 화성공정 이후에 완성된 셀을 모듈 및 Pack으로 구성하는 Pack조립공정과 검사공정 등의 기타 공정이 있습니다.

당사는 조립공정, 화성공정, Pack 조립공정 장비 및 검사장비를 제작 납품하고 있으며, 특히 조립공정과 화성공정은 Full-Line 자동화 장비를 제작하는 탁월한 기술수준에 있습니다.

현재 극판공정 장비로는 레이저 노칭 장비와 레이저 커팅장비 등 일부 장비를 제작하고 있으나, 2021년 내에 극판공정의 핵심장비를 추가 개발하여 국내 유일의 이차전지양산 Full-Line 장비 제작 시스템을 구축할 예정입니다.

1) 이차전지 형태별 분류

 

이차전지 형태별 분류

[이차전지 용어정리]

용어	설명	비고
일차전지	한 번 방전되고 나면 다시 충전해서 사용할 수 없는 전지	-
이차전지	일차전지와 달리, 방전된 후에도 다시 충전과정을 거쳐 반복사용이 가능한 전지	납축전지, 니켈-카드늄전지, 리튬이온전지 등
리튬이온전지(LIB)	이차전지의 대표적인 전지, 납축전지보다 30%이상 가볍고, 고용량이 가능하며, IT기기부터 전기자동차, ESS까지 적용분야 다양	-
반고체전지 (Semi-Solid battery)	기존 액체형태의 전해액 대신 반죽상태의 반고체 전해질을 사용하여 에너지밀도와 출력 및 안전성을 향상시킨 차세대전지	-
전고체전지 (All-Solid-State Battery)	기존 전해액을 고체로 대체한 차세대 배터리로 대용량 배터리 구현이 가능하고 안전성이 높으며, 현재 개발단계	고체전해질로 산화물, 폴리머, 황화물 등이 연구진행 중이며 아직 배터리 출력과 수명에서 열위에 있음
양극(Anode)	양극활물질로서 배터리의 용량과 전압을 결정	-
음극(Cathode)	음극활물질로서 양극으로부터 나온 리튬이온을 가격적으로 흡수/방출하면서 전자(전류)를 흐르게 하여 전기를 발생시키는 물질	-
전해액 (Electrolyte)	전지 내부의 양극과 음극 극판 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 물질	염, 용매, 첨가제 등으로 구성
분리막 (Separator)	전지 내부의 양극과 음극 활물질이 서로 섞이지 않도록 분리해주는 막	-
바인더 (Binder)	활물질과 도전재 등이 용매에 잘 분산되게하고 활물질을 집전체에 결착시키는 용액	-
도전재	전극에서 활물질 입자간 또는 금속 집전체와의 전자전도도 향상을 목적으로 소량 첨가하는 미세분말 탄소	-
집전체	외부도선에서 제공되는 전자를 전극 활물질로 공급하기 위해 중간 매집 역할을 하거나 반대로 전극 반응의 결과 생성된 전자를 모아서 외부도선으로 흘려주는 전달자 역할을 하는 극판 형상 구현재료	-
극판	양극/음극 활물질에 도전제, 바인더를 혼합한 기본 양극/음극판	-
젤리롤 (Jelly Roll)	배터리의 기본단위인 셀(Cell)을 만들기 위하여 양극/음극판과 분리막을 접합하여 롤형태로 감아 놓은 전극 조립체	-
셀(Cell)	전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본 단위	-
탭(Tab)	젤리롤에서 각각의 그리드로부터 흘러 나오는 전류를 모아서 하나의 출력으로 내보내기 위한 단자	-
캔(Can)	원통형/각형 배터리의 금속 Case	-
파우치(Pouch)	리튬폴리머전지의 봉지재	-
믹싱(Mixing)	활물질과 Binder를 용액에 녹여 코팅 Slurry를 만드는 공정으로 양극과 음극의 Slurry를 제조	-
코팅(Coating)	양극은 알루미늄 호일을 음극은 동박을 코팅(Substrate)하여 양극과 음극 Slurry를 음양극판에 코팅하는 공정	-
롤프레스 (Roll Press)	금속호일과 전극 필름의 접착력을 증대 시키고 전극 필름의 밀도증대를 위해 전극을 Pressing하는 공정	-
슬리팅(Slitting)	전극을 셀(Cell)의 규격에 맞게 재단하여 감는 공정	-
진공건조 (Vacuum Dry)	완성된 극판을 진공챔버에 넣어 극판에 포함된 수분을 제거하고 잔류응력을 완화시키는 공정	-
권취 (Winding)	젤리롤(Jelly Roll)을 만들기 위하여 전극에 탭(Tab)을 부착하고 분리막을 삽입시켜 감은 후 테이프로 고정하는 공정	-
적층 (Stacking)	Seperator Film에 전극을 일정한 간격으로 부착하고 지그재그로 접어 형태를 만든후 Taping하는 공정	단판극판을 분리막 사이에 두고 일정한 두께로 쌓는 공정
젤리롤 테이핑 (J/R Taping)	셀(Cell)의 품질불량 방지/ 젤리롤 삽입개선을 위한 테이핑 공정	-
노칭 (Notching)	롤형태의 전극판을 실제 사용 될 셀(Cell) 형태로 재단하는 공정	롤 형태의 극판을 단판극판 형태로 만드는 공정
성형 (Forming)	파우치를 젤리롤 형상에 맞게 프레스 성형하는 것	-
젤리롤 삽입 (J/R Insert)	권취가 완료된 젤리롤을 셀(cell)용기에 삽입하는 공정	-
X-ray 검사	젤리롤의 삽입상태 및 품질검사, 불량선별 공정	-
비딩 (Beading)	젤리롤이 캔속에서 움직이지 않도록 캔 상부를 압연하는 공정	전해액 누수를 방지하는 공정임
크림핑 (Crimping)	원통형 전지의 캔 위에 뚜껑에 해당하는 캡(Cap)을 올려 놓고 밀봉시키는 공정	전해액 누수를 방지하는 공정임
튜빙 (Tubing)	캔의 외부에 외장재를 입히는 공정	캔 외면을 절연성 외피로 피복함
리크체크 (Leak Check)	각형 전지의 전해액 주입전 헬륨가스를 이용하여 캔의 누액여부를 검사하는 공정	-
탭 용접 (Tab Welding)	외부와 전자흐름의 통로가 되는 양극과 음극의 단자의 Tab을 부착시키는 공정	-
볼 용접 (Ball Welding)	각형 전지의 캔에 전해액을 주입 후 전해액 주입구에 볼(Ball)을 압입하고 용접하는 공정	-
전해액 주액 (E/L Filling)	설계된 최적량의 전해액을 주입하여 단시간에 젤리롤 형태의 전극에 함습시키는 공정	-
실링(Sealing)	파우치의 양면을 열압착하여 파우치 내부의 폴리머 성분이 녹아서 내부의 전해액이 흘러 나오지 않게 밀봉하는 것	-
패키징(PKG)	파우치형 배터리 조립 자동화 Full 라인이며 JR Insert, JR Press, 테이핑, 용접기, 바인더도포기, 언와인더, 포밍, 실링, 셀커팅, 주액기, 셀 배출 등 총 11종 설비로 구성됨	파우치형 배터리의 조립공정 전체를 의미함
에이징(Aging)	전지를 정해진 충방전 상태 및 정해진 온도, 습도로 정해진 시간 동안 보관 방치하는 공정	전지 내부에 전해액을 충분히 분산시켜 줌으로써 충전이나 방전 시 이온의 이동성을 최적화 시켜주기 위한 공정
충방전(Formation)	조립공정을 마친 셀(Cell)에 일정한 전류를 흘려주어 충전과 방전을 반복하여 배터리로 활성화 하는 공정	-
디게싱(Degassing)	충전후 셀(Cell)내부에 발생된 가스를 제거하는 공정	-
폴딩(Folding)	파우치형 배터리의 제조공정 중 디게싱 후 파우치의 날개를 접어 셀의 형태를 완성하는 공정	-
IR/OCV	완성된 셀(Cell)의 출하전 마지막 내부저항 및 전압을 측정하여 셀의 양/불을 검사	-
모듈(Module)	배터리 셀(Cell)을 외부충격과 열, 진동으로부터 보호하기 위해 일정한 개수(일반적으로 열 개 남짓)로 묶어 프레임에 넣 은 배터리 조립체(Assembly)	-
팩(Pack)	전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태. 배터리 모듈 6~10 개에 BMS (Battery Management System), 냉각 시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착해 완성됨	-
ATC(Auto Transfer Conveyer)	셀(Cell)을 각 공정으로 이송하는 자동 물류 설비의 총칭	-
Pallet	단위 설비내에서 또는 단위 설비와 단위 설비간 중간 가공중인 전지를 이동하기 위한 부품	-
Tray	가공중인 셀(Cell)의 이동 시에 사용되는 적재함 또는 받침	-
PPM	Pieces per minute 분당생산속도	전지 생산공정 속도를 나타내는 단위
xEV	전기모터 파워트레인을 가진 차들의 통칭	하이브리드전기차(HEV), 플러그인 하이브리드전기차(PHEV), 순수전기차(BEV)
ESS(Energy Storage System)	에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 저장·관리하는 시스템으로, 사용하고 남은 에너지를 저장하여 필요할 때 사용할 수 있도록 하는 장치	에너지저장장치

 

[재생 배터리 용어정리]

용어	설명	비고
Re-Use(재사용)	일정 성능 및 등급 이상의 전기차 폐 배터리를 에너지 저장장치 등의 전원으로 재사용함	-
Re-Cycling(재활용)	폐 배터리를 분해하여 희귀 금속 등의 자원을 추출하는 것	-
MES (Manufacturing Execution System)	제조환경의 실시간 모니터링, 제어, 물류 및 작업내역 추적 관리, 상태파악, 불량관리 등에 초점을 맞춘 현장 시스템	-
DCIR(Direct Current Internal Resistance)	배터리 직류내부저항 검사로 배터리의 수명을 측정함	-
충방전 용량시험	추전과 방전을 진행하여 배터리의 충전 용량 검사	-
OCV측정	폐 배터리의 전압을 측정하여 성능검사	-

2) 이차전지 제조공정

가) 극판공정

극판공정은 양,음극재를 만드는 공정으로 양극활물질과 음극활물질에 유기용매 등을섞어 슬러리(Slurry) 상태로 만든 후, 양극활물질은 알루미늄박(Al Foil), 음극활물질은구리박(Cu Foil) 위에 코팅하여 양극재와 음극재를 생산하는 공정입니다. 원형, 각형,파우치형전지 등의 전지형태와 관계없이 유사한 프로세스로 진행되고 있습니다.

 

나) 조립공정/화성공정

조립공정은 양, 음극재를 전지용기에 삽입하고 셀(Cell)로 조립하는 공정으로 전지의형태에 따라 다른 프로세스로 진행되고 있습니다.

화성공정은 조립된 셀(Cell)에 충방전을 통하여 전기적 특성을 부여하는 공정으로 원형과 각형전지의 프로세스는 유사하나 파우치형의 경우는 1차 충방전(Formation) 후에 파우치 내에 발생된 가스를 제거하는 디게싱(Degassing)공정이 추가되고 있습니다.

 

 

① 원형전지

 원통형 전지는 권취(Winding)공정으로 젤리롤(Jelly Roll)을 만들어서 캔(Can)에 삽입하고 음극 탭을 용접합니다. 다음으로 캔에 삽입된 젤리롤을 움직이지 않게 캔을 비딩(Beading)하고 젤리롤과 캔의 상태를 X-ray로 검사합니다

 검사가 완료된 캔에 전해액을 주입하고 양극탭을 용접하고 밀봉합니다. 이후 캔을 세정하고 캔에 외장재를 튜빙(Tubing)하여 전지의 조립을 완료 후 화성공정에서 전지를 충방전하고 최종 IR/DCV 검사하여 전지를 완성합니다.

 

② 각형전지

 각형 전지는 권취(Winding) 또는 스택(Stacking)공정으로 젤리롤을 만들고, 캔에 탭(Tab)을 용접한 후, 젤리롤을 캔에 삽입하고 캡(Cap)을 용접합니다.

  이후 Leak검사와 X-ray 검사를 통하여 캡(Cap)의 용접 품질과 캔(Can)의 상태를 검사하고, 1차 전해액을 주입 후 초기충전하고 2차 전해액을 주입합니다. 다음으로 Ball을 압입하여 주액구를 용접하고 캔을 세정하고 튜빙하여 전지 조립를 완료합니다. 마지막으로 화성공정에서 전지를 충방전하고 IR/OCV 검사를 진행하여 전지를 완성합니다.

③ 파우치형 전지

 파우치(폴리머)전지는 극판공정에서 완성된 양극과 음극, 분리막을 적층(Stacking)하여 젤리롤(Jelly Roll)을 만들어 조립공정에서 파우치에 삽입하고 파우치의 상. 하단을 밀봉한 후에 전해액을 주입하고 다시 파우치 측면을 밀봉하여 셀(Cell) 조립(Packaging)을 완료합니다.

 조립이 완료된 셀은 화성공정을 통하여 1차 충방전(Formation) 후 파우치내에 발생한 가스를 제거하고 2차충방전(Formation) 후 최종셀의 성능검사(IR OCV)를 하여 전지 제조를 완료합니다.

3) 제조 공정별 주요 장비

 

이차전지 산업은 크게 전방산업과 이차전지 산업 그리고 후방산업으로 분류할 수 있습니다. 전방산업은 전기자동차, IT기기, 친환경에너지 등 이차전지를 에너지원으로 적용하는 산업이며, 후방산업은 이차전지 소재 및 장비 산업 등이 해당됩니다. 이차전지 산업은 사물인터넷, 인공지능 등 미래 IT기술과의 융합을 통하여 4차 산업혁명을 주도할 산업으로 다음과 같은 특성이 있습니다.

특징	내용
전후방 산업간 연쇄효과	전방산업의 성장은 이차전지 수요를 창출하며, 이차전지 산업 및후방산업의 전지 신기술개발은 전방산업의 신기술 적용에 의한 시장선점과 같은 연쇄효과가 밀접하게 발생
자본/기술 집약	이차전지 산업은 연구, 개발비용 및 대규모 설비구축에 대한 비용부담이 높으며, 기술 중심의 산업으로, 소재 및 제조공정 등의 원천기술과 전문인력 확보 및 기술 노하우 축적이 요구되는 산업
짧은 수명주기	이차전지는 에너지 용량 및 출력을 높이기 위해서 지속적인 기술개발이 요구되는 산업으로 현재 상용화되고 있는 제품의 기대수명주기가 짧은 편으로 지속적인 투자가 진행되야 하는 시장
지속적 연구개발 필요	전방산업의 요구에 따라 이차전지의 에너지밀도 증가, 중대형화, 방전효율 향상, 안전성 확보, 경량화 등에 대한 지속적이고 장기적인 연구개발 투자가 필요한 산업
높은 진입장벽	자본과 기술 등에 대한 비용부담 뿐만 아니라 기술인력 확보 및 기술적 레퍼런스 및 노하우가 필요한 산업으로 진입장벽이 높음.

 

(나) 수요 변동요인

이차전지 장비산업의 수요변동 요인은 전방산업의 경기변동, 이차전지 제조사의 생산라인투자 계획 및 에너지 및 환경관련 정책 등이 주요한 변동 요인입니다.

 

1) 전방산업의 경기

이차전지 장비산업은 전방산업의 경기변동에 따라 전지 제조업체의 생산Capa의 변동이 발생하기 때문에 전방산업의 경기변동은 이차전지 장비 수요변동에 주요 요인이 됩니다.

SNE Research의 중장기 이차전지 수요 전망 자료에 따르면 이차전지 시장은 2018년179GWh에서 2025년 1,510GWh로 연평균 36% 성장 전망이고, 2030년까지는 3,392GWh로 연평균28%로 성장할 것으로 전망하고 있어서 전기차 시장을 중심으로 한 전방시장은 큰 경기변동 없이 지속적인 고성장이 예상됩니다.

 

글로벌 이차전지 시장 전망(용량, gwh)

2) 이차전지 생산 설비투자(CAPEX)

이차전지 제조사의 생산 라인 증설 계획은 이차전지 장비산업의 직접적인 수요변동에 중요한 영향을 미치고 있습니다.

KTB투자증권 '2020년 2차전지 CAPEX싸이클 시작' 보고서에 따르면 국내 3사의 생산Capa 전망은 2019년 94GWh에서 2023년 343GWh까지 약 250% 증가할 것으로 전망되고 있습니다.

(주)LG화학은 폴란드와 중국, 삼성SDI(주)는 헝가리와 미국 및 국내, SK이노베이션(주)는 헝가리와 미국 등지에 증설을 진행 중입니다.

CATL, 파나소닉 또한 2019년 94GWh에서 2023년 280GWh까지 약 200% 증설이 전망되는 상황으로 이차전지 장비에 대한 수요는 지속적으로 발생할 것으로 예상되고 있습니다.

 

3) 환경 및 에너지 정책

이차전지 산업은 친환경 에너지 산업으로 각국의 환경 및 에너지 관련 정책과 밀접한연관성이 있습니다. 2015년 파리 기후협약 체결 후 국가별 배기가스 배출량이 할당되면서, 각국에서 환경규제 실시 및 내연 기관차 생산중단 계획을 발표하며, 친환경 전기차 비율을 확대하고 있습니다. 각국 정부는 전기차 비중 확대를 위해 보조금 지급, 세금 감면 등의 재정적 지원과 공공조달 프로그램, 충전 인프라 설치 등의 환경적지원을 실시하여 시장 확대에 큰 영향을 끼쳤으며, 이러한 정책적 지원은 전기차 수요뿐만 아니라 전반적인 이차전지의 수요를 결정하는 주요인이 되고 있습니다.

국가	주요정책
미국	- 일정 배터리 용량을 갖춘 전기차의 소득세 공제 - 주 정부 소득세 추가 감면, 보조금 등 인센티브
유럽	- 탄소 배출량에 따른 부담금 부과 또는 보조금 지원 - 세금 감면, 무료 충전, 전용 주차장 지원
중국	- 전기차 주행거리 성능에 따른 보조금 차등 지급 - 구매세 면제 등 세금 감면
일본	- 모델별 보조금 지원(최대 85만 엔) - 닛산 리프(30kWh) 기준 33만 엔 지원
한국	- 정부 보조금 및 지자체별 지원금 지급 - 세제혜택, 충전요금 인하 등

(다) 규제환경
이차전지 장비산업에 대한 특별한 규제환경은 없으며, 일반적인 기계장비 제조업에 기준한 규제를 적용 받고 있습니다. 당사가 적용 받고 있는 규제는 아래와 같습니다.

 

(2) 시장의 규모 및 전망

(가) 국내외 시장규모 및 전망

 

1) 이차전지 제조 장비 수요 전망

이차전지 제조사들은 2030년까지 4,136GWh 출하량을 목표로 하고 있으며, 목표달성을 위해서는 지속적으로 생산장비에 투자를 진행해야 합니다. 예상되는 장비 수요는 2019년 167GWh 규모의 생산 장비에서, 2025년에는 291GWh 생산 Capa 장비가 필요하고 2030년에는 추가로 763GWh의 생산 장비가 필요한 상황으로 2019년부터 2030년까지 연평균 15%씩 장비 수요가 발생할 것로 전망하고 있습니다. 1GWh 당 장비투자금액이 평균적으로 약 420억이 소요되는 것을 감안하면 2019년 이차전지 장비의 수요는 금액기준 약 7조 140억원에서 년 평균 15%씩 증가하여 2030년에는 약 32조 460억원의 장비 수요가 예상됩니다.

 

2) 이차전지 제조 장비 시장 규모

SNE Research의 이차전지 생산Line 및 출하량에 따른 장비 투자비 분석을 바탕으로전기차 기준 이차전지 장비 시장의 규모를 계산하면 2019년 70억불(약 9.1조원)에서 2030년 320억불(41.6조원) 시장규모가 될 것으로 추정되고 있으며, 이는 연평균 시장규모가 15% 이상 성장하는 고성장 시장입니다.

(나) 대체시장 존재 여부 및 전망

이차전지를 대체할 수 있는 새로운 에너지를 사용하기 전까지는 이차전지 장비 산업의 대체시장은 존재하지 않습니다. 그러나 현재의 이차전지는 에너지밀도와 안정성에 한계가 있기 때문에 이를 대체할 차세대 전지에 대한 개발이 다양하게 진행되고 있는 상황으로 앞으로 등장하게 될 차세대 전지의 제조방식 및 기술의 변화에 따라 제조장비의 형태와 공정기술이 변화할 수 있습니다.

 

차세대 전지는 전기차용 이차전지의 경우 1회 충전에 700Km 이상 주행할 수 있는 고출력, 고용량 및 고안전성이 혁신적으로 확보되어야 하며, 현재 주목받고 있는 차세대 이차전지로는 전고체전지, 리튬-황전지, 리튬-공기 전지 등이 있습니다.

 

그러나 향후 이차전지 시장에 상용화될 차세대 전지 역시 양극재, 음극재, 전해질 등의 주요 소재나 공법 또는 공정을 달리할 뿐이고 최종적으로 이러한 활물질을 이용하여 셀로 조립하여 전지를 제조하는 기본적인 프로세스에는 큰 차이가 없기 때문에 이차전지 장비산업에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예상하고 있습니다.
당사는 2020년 4월에 개량형 리튬이온 전지로 분류되는 반고체 전지의 조립공정과 화성공정라인 장비를 세계 최초로 Turn-Key로 수주 받아 장비를 제작하고 있습니다.이번에 당사가 수주받은 반고체 전지는 미국의 24M에서 개발한 이차전지로 기존의전해액 대신 반고체 상태의 전해질을 이용하여 전지의 밀도와 안전성을 획기적으로 높인 제품으로 당사는 차세대 전지 생산공정 기술을 선점하게 되었으며, 향후 차세대전지의 장비 시장에서의 기술적우위 확보 및 시장 점유율 확대가 예상되고 있습니다.