배터리 셀 개발 가속화: 빠르고 효율적인 배터리 생산을 위한 전략_3

3.1 제품 개발 프로세스

Figure 3에 시각적으로 표현된 제품 개발 프로세스는 단계 정의, 샘플 정의, 그리고 워크스트림 정의를 통해 더욱 자세히 설명될 것입니다. 본 논문의 초점은 엔지니어링 프로세스이며, 비즈니스 개발 및 기타 조직적 부서는 고려 대상에서 제외됩니다.

 

 

3.1.1 개발 단계 설명(Phase Description)

전체 제품 개발 프로세스는 크게 착수(Initiation)와 셀 엔지니어링(Cell Engineering) 단계로 나뉘며, 이후 다양한 샘플(A-Sample에서 C-Sample까지)의 셀 엔지니어링 반복, 그리고 사전 양산(Pre-Series) 및 양산 초기(Ramp-Up) 단계가 이어집니다. 다음 섹션에서는 각 단계를 자세히 설명합니다.

착수(Initiation) 단계에서는 셀 엔지니어링을 준비하는 과정이 진행되며, 핵심 사용 사례 요구 사항을 정의합니다. 이를 위해 기존 제품을 분석하는 분해(Teardown) 및 벤치마킹(Benchmarking) 작업이 수행되며, 요구 사항 관리를 통해 사양을 우선순위화하고, 특허 분석을 통해 혁신을 보장하며 특허 침해를 방지합니다. 또한, 초기 공정 요구 사항과 개념이 수립되며, 개발 단계에서 필요한 잠재적 파트너와 소재를 식별하기 위해 공급업체 사전 스크리닝(Supplier Pre-Screening)도 진행됩니다.

셀 엔지니어링(Cell Engineering) 단계에서는 핵심적인 개발 과정이 이루어집니다. 요구 사항을 기반으로 개념이 개발 및 비교되며, 여러 샘플 단계를 거치면서 성숙한 제품으로 발전하게 됩니다. 이 단계는 매우 방대한 범위를 포함하고 있으므로, 이후 섹션에서는 특히 A-Sample 단계에 초점을 맞추어 설명할 것입니다. A-Sample 단계는 초기 제품 개념을 확립하는 단계로서 개발 프로세스에서 가장 복잡한 부분을 차지합니다.

사전 양산(Pre-Series) 단계에서는 배터리 셀이 양산 규모로 생산됩니다. 이 단계에서는 모든 관련 제품 요소를 면밀히 검토하는 데 중점을 두며, 이 단계가 종료되면 양산 개시(Start of Production, SOP)로 이어집니다.

양산 초기(Ramp-Up) 단계에서는 생산 능력이 증가하며, 제품의 품질이 지속적으로 모니터링됩니다.

 

3.1.2 샘플 단계 설명(Sample Description)

개발 과정에서는 다양한 샘플 단계가 구분됩니다. 산업 내 일반적인 샘플은 A-Sample에서 C-Sample까지 존재합니다. 제안된 혁신적인 개발 프로세스는 세 가지 샘플 단계에 기반하며, 각 단계는 다음과 같이 설명됩니다.

각 샘플 단계 내에는 셀 개념(Cell Concept), 제품 개발(Product Development), 프로토타이핑(Prototyping) 단계가 포함됩니다 (Figure 4 참조).

 

A-Sample 단계에서는 첫 번째 샘플이 실험실 규모(Laboratory-Scale) 장비를 사용하여 제작됩니다. 이 단계에서는 기능 및 개별 구성 요소의 독립적인 테스트에 초점을 맞춥니다. A-Sample은 개발 단계를 마무리하는 단계이며, 아직 셀 구성 요소의 수명이나 내구성을 평가하는 단계는 아닙니다. 일반적으로 최대 500개의 A-Sample이 제작됩니다.

B-Sample은 실험실 또는 파일럿 규모(Pilot-Scale) 시스템을 사용하여 제작되며, 일반적인 생산량은 10,000~20,000개입니다. 이 단계에서는 설치 및 기능 테스트가 테스트 벤치에서 수행됩니다. 주요 목표는 기능을 확인하고 신뢰성을 예측하는 것입니다. 또한, B-Sample을 기반으로 셀의 자체 생산(In-House Production) 또는 외부 조달(External Procurement)에 대한 기본적인 결정이 내려집니다.

C-Sample은 20,000개 이상의 샘플이 파일럿 플랜트 또는 양산 설비에서 제작됩니다. 이 단계에서는 셀의 디자인(예: 표면 품질)이 양산에 적합하도록 설계됩니다. 테스트 범위는 과부하 상태 테스트 및 시스템 수준에서의 기능성과 내구성 평가에 중점을 둡니다.

각 샘플 단계는 검증(Validation) 단계로 보완되며, 이는 프로토타이핑 단계 동안 시작되어 이후 샘플 단계의 셀 개념 단계로 전환됩니다. 검증 과정에서는 프로토타입이나 그 구성 요소의 기능이 테스트되며, 다음 샘플 단계에 필요한 수정 사항이 도출됩니다. 본 논문에서는 특히 A-Sample 개발에 초점을 맞추고 있으며, 이 단계가 개선 및 세분화 과정에서 가지는 핵심적인 역할을 강조하고 있습니다.

 

3.1.3 워크스트림 설명(Workstream Description)

각 개발 단계는 다양한 워크스트림(workstream)을 통해 수행됩니다. 본 접근법에서는 다섯 개의 구별되는 워크스트림으로 나누어지며, 이는 요구 사항 및 품질(Requirements & Quality), 기계적·열적·전기적 개발(Mechanical, Thermal & Electrical Development), 전극 개발(Electrode Development), 시뮬레이션 및 테스트(Simulation & Testing), 데이터 및 분석(Data & Analytics)으로 구성됩니다. 보다 명확한 이해를 돕기 위해, 이들 워크스트림과 관련된 절차, 주요 결과 및 마일스톤, 그리고 핵심적인 도전 과제와 가능성을 설명할 것입니다. 추가적인 세부 사항은 Figure 5~7에서 확인할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 본 논문의 초점은 A-Sample 배터리 셀의 엔지니어링 과정입니다.

셀 개념(Cell Concept) 단계에서는 배터리 셀 제품에 대한 요구 사항과 다양한 영역 간의 커뮤니케이션에서 발생하는 복잡한 솔루션 공간(complex solution space)이 모든 워크스트림에서 근본적인 도전 과제가 됩니다. 따라서, 요구 사항 충족 여부를 조기에 평가하는 것이 솔루션 공간을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.

 

초기 고객 요구 사항(initial customer requirements)

셀 개념 단계에서, 개발될 배터리 셀의 일반적인 요구 사항은 초기 고객 요구 사항(initial customer requirements) 또는 특정 최종 사용 사례(specific end-use cases)로부터 도출되며, 이는 요구 사항 및 품질(Requirements & Quality) 워크스트림에서 수행됩니다. 주요 결과로는 요구 사항 관리(Requirements Management) 프레임워크 및 지속 가능성 평가(Sustainability Evaluation) 개념, 그리고 기본적인 셀 설계를 위한 제품 특성 정의가 포함됩니다.

 

기계적·열적·전기적 개발(Mechanical, Thermal & Electrical Development)

기계적·열적·전기적 개발(Mechanical, Thermal & Electrical Development) 워크스트림은 핵심적인 셀 설계 및 기본적인 안전 개념 개발을 주요 목표로 합니다. 두 가지 초기 설계 개념을 개발하는 과정에서, 셀 설계와 안전성 간의 복잡한 상호 작용 및 기존 요구 사항 충족 여부가 중요한 도전 과제로 작용합니다. 이 워크스트림에서 셀 개념 단계의 주요 결과 및 마일스톤은 초기 CAD 모델, 부품 명세서(BOM), 비용 모델(Cost Model)과 더불어 초기 제품 속성 정의를 포함합니다.

 

전극 개발(Electrode Development) 

전극 개발(Electrode Development) 워크스트림은 공급업체 스크리닝(Supplier Screening) 및 평가를 수행하여 공급업체 장기 리스트(Supplier Long List)를 생성합니다. 이 과정에서 중요한 도전 과제는 개별 테스트 및 프로토타입 제작을 위한 원재료 수량(Material Quantities) 고려입니다. 또한, 공급망 리스크(Supply Chain Risks) 및 보완 공급업체(Second Sources) 확보 여부도 중요한 요인으로 작용합니다. 이 단계에서 배터리 셀의 전극 화학(Cell Chemistries), 전해질(Electrolytes), 첨가제(Additives), 바인더(Binders), 전극 크기(Electrode Dimensions) 등이 사전 선택됩니다. 이를 기반으로 초기 전극 목표 특성(Initial Electrode Target Parameters)이 계산되며, 여기에는 특정 면적 용량(Specific Area Capacity) 및 질량 로딩(Mass Loading) 등이 포함됩니다.

 

시뮬레이션 및 테스트(Simulation & Testing)

시뮬레이션 및 테스트(Simulation & Testing) 워크스트림에서는 전체 시뮬레이션 및 테스트 범위가 정의되며, 초기 기초 시뮬레이션(basic simulations)이 수행됩니다. 여기에는 기계적, 열적, 전기적, 전기화학적(Mechanical, Thermal, Electrical, and Electrochemical) 시뮬레이션이 포함됩니다. 주요 도전 과제는 고도로 재료 특성화된 데이터(Material-Specific Data)의 제한된 가용성이며, 이는 높은 부정확성을 초래할 수 있으며, 개발된 모델과 실제 결과 간의 편차 평가를 어렵게 만드는 요인이 됩니다.

그럼에도 불구하고, 기존 제품 분해(Teardown) 데이터를 활용한 초기 셀 시뮬레이션 개발은 전체 개발 프로세스를 가속화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 시뮬레이션 모델을 조기에 개발함으로써, 이후 개발 단계에서 기존 모델을 더욱 발전시키고, 필요에 따라 특정 안전 관련 문제나 새로운 설계 결정에 초점을 맞춘 상세 모델을 개발하는 것이 가능해집니다.

 

데이터 및 분석(Data & Analytics)

데이터 및 분석(Data & Analytics) 워크스트림에서는 제품 개발을 위한 관련 도구 및 데이터베이스의 정의 및 초기 제공이 수행됩니다. 또한, 공개 데이터(Publicly Available Data) 및 내부 셀 테스트(In-House Cell Tests)를 기반으로 기술 수준을 평가합니다. 그러나 제한적인 공개 데이터베이스와 명확하지 않은 고객 요구 사항은 도전 과제로 작용합니다. 이 워크스트림에서는 높은 수준의 데이터 투명성(Data Transparency), 추적 가능성(Traceability), 일관성(Consistency) 보장이 중요한 잠재력으로 평가됩니다. 또한, 일관된 엔드투엔드(End-to-End) 도구 체인(toolchain)의 정의 및 이후 단계에서의 추가 개발이 주요 결과로 도출되며, 이는 4장에서 더욱 자세히 다루어집니다.

제품 개발 단계부터, 워크스트림 전반에서 제품 개발과 생산 공정 개발을 조기에 연계하는 것은 제품 개발의 전반적인 높은 복잡성을 해결하는 데 중요한 가능성을 제공합니다. 제품 및 공정 시뮬레이션(Product and Process Simulation)을 결합함으로써, 제품 및 공정 요구 사항을 초기 단계에서 정렬할 수 있는 기회가 제공됩니다(3.3장에서 자세히 설명).

요구 사항 및 품질(Requirements & Quality) 워크스트림에서는, 기존 공급업체를 정의된 평가 기준에 따라 평가합니다. 또한, A-Sample에 대한 최종 사양서(Final Specifications Sheet)가 정의되며, 내부 생산(In-House Production) 또는 외부 조달(External Procurement)에 대한 전략적 결정이 이루어집니다.

전극 개발(Electrode Development) 워크스트림에서는 다양한 초기 전극 조성을 활용하여 특정 재료 성능 평가(Material Performance Evaluations)가 수행됩니다. 전극 조성은 테스트 결과를 기반으로 성능 및 생산 가능성을 최적화하는 방향으로 반복(iteration)됩니다. 주요 도전 과제는 코인셀 또는 실험실 셀(Coin or Laboratory Cells)의 재현성 부족과 대량 생산 시 재현성을 고려하지 않는 점입니다.

시뮬레이션 및 테스트(Simulation & Testing) 워크스트림은 기존 시뮬레이션을 기반으로, 개발된 테스트 캐리어(Test Carriers)와 그로부터 생성된 데이터를 활용한 테스트를 수행하며, 추가적인 전기적, 열적, 구조적 화학적 매개변수를 시뮬레이션합니다.

프로토타이핑 단계에서는, 초기 정의된 핵심 결과(Key Results)가 확정되고, A-Sample용 셀 프로토타입(Cell Prototype)이 정의됩니다. BOM을 기반으로, 수명 주기 평가(LCA, Life Cycle Assessment) 접근 방식이 기록되며, 최종적으로 A-Sample 요구 사항이 조정됩니다.

기계적·열적·전기적 개발(Mechanical, Thermal & Electrical Development)에서는, BOM, CAD, 상세 부품 도면이 기록되며, 전극 개발(Electrode Development)에서는 전극 설계가 확정됩니다.

시뮬레이션 및 테스트(Simulation & Testing) 워크스트림에서는 A-Sample 프로토타입의 성능, 수명 및 기능 안전성 테스트에 집중합니다. 기존 시뮬레이션 모델은 새로운 데이터로 검증되고 세부적으로 조정됩니다.

특히, 제품 및 공정 모델을 결합하여 초기 생산 공정 매개변수를 예측하는 것이 대량 생산 가능성을 평가하는 중요한 잠재력으로 작용합니다. 이를 위해, 데이터 및 분석(Data & Analytics) 워크스트림에서는 생산 가능성(Processability) 평가 도구 개발이 진행 중입니다.

 

 

3.1.4 개발 단계별 마일스톤(Phase Milestones)

각 개발 단계를 더 잘 이해하기 위해, 개발 진행 상황을 추적할 수 있도록 마일스톤이 지정됩니다. 이러한 마일스톤은 체크포인트 역할을 하며, 중요한 성과나 전환점을 강조함으로써 전체 프로세스가 일정에 맞춰 진행되고 프로젝트 목표와 일치하도록 보장합니다. 각 배터리 셀 엔지니어링 단계에는 그림 8에서 볼 수 있듯이 세 가지 주요 마일스톤이 포함됩니다: "샘플 개념(Sample Concept)", "샘플 CAD 및 BOM(Sample CAD & BOM)", "샘플 프로토타입(Sample Prototype)".

 

샘플 개념(Sample Concept)

A-Sample 개념은 개념 개발 완료와 초기 생산 공정 선택을 의미합니다. 이 개발 단계에서는 제조 단계를 정의하기 위한 생산 공정 체인 선정, 개발을 안내할 관련 데이터 및 방법 수집, 제품 기능과 성능을 개괄적으로 설정하기 위한 제품 특징 정의, 기본적인 기계적 설계 및 안전 매개변수 수립, 화학 및 재료 매개변수 선택과 같은 핵심 요소를 포함합니다. 또한 배터리의 주요 매개변수는 최신 기술 및 기존 제품 분해 분석(teardown) 결과를 기반으로 설정됩니다. A-Sample과 달리, B-Sample과 C-Sample 개념은 이전 검증 단계에서 얻은 피드백을 바탕으로 점진적으로 발전하게 됩니다.

 

샘플 CAD 및 BOM(Sample CAD & BOM)

A-Sample의 경우, 이 마일스톤은 완전히 개발된 CAD 및 종합적인 **부품 명세서(Bill of Materials, BOM)**를 포함하여 세부적인 셀 개념이 확정되는 지점입니다. 여기에는 설계를 정밀하게 수행하기 위한 필수 데이터 및 방법이 모두 포함되며, 특히 안전 매개변수의 허용 오차(specific tolerances) 및 생산 공정 관련 제품 제한 사항까지 고려됩니다. B-Sample 및 C-Sample 단계에서는 프로토타입 생산이 가능하도록 샘플을 더욱 정교하게 다듬는 것이 목표입니다.

 

샘플 프로토타입(Sample Prototype)

A-Sample 단계에서의 프로토타입은 기능 검증 및 실제 환경에서의 테스트를 목적으로 하는 작동 가능한 모델(functional model)입니다. 이 단계에서는 A-Sample에 고유한 제품 특징이 고정되며, 이는 제품 특성 데이터베이스 및 CAD 형식으로 문서화됩니다. 또한 BOM이 최종 확정되며, 재료 및 구성 요소의 일관성을 보장합니다. 프로토타입의 개발 및 검증은 테스트 결과를 기반으로 수행되며, 이를 통해 제품의 기능성과 신뢰성을 확인하게 됩니다.

B-Sample과 C-Sample 단계에서는 프로토타입이 샘플 수준을 입증하도록 설계되며, 추가적인 테스트와 개선이 이루어질 준비를 갖추는 것이 주요 목표입니다.

또한, 이러한 마일스톤은 개발 프로세스에서 정의된 포인트로 작용하여, 이전 단계에서 얻은 정보 및 결과를 생산 계획(Production Planning)과 같은 다른 부서와 공유하는 역할도 수행합니다. 마찬가지로, 다른 부서에서 제공하는 정보도 향후 개발 단계의 입력 데이터로 활용될 수 있습니다.

따라서, 생산 계획(Production Planning)으로부터의 요구 사항 및 정보도 향후 제품 개발 단계의 중요한 입력값으로 수집될 수 있습니다. 제품 개발과 생산 계획 간의 연계는 3.3장에서 더욱 자세히 다룰 예정입니다.

 

 

 

 

출처: ACCELERATING BATTERY CELL DEVELOPMENT
https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaacksemjl