배터리 시험
운송 부문의 전기화는 리튬-이온 전지로부터 큰 영향을 받습니다. 연구개발과 종합적 품질 보증은 향후 배터리 셀 부품, 배터리 셀, 배터리 모듈 개발은 물론 생산용 고전압 저장 시스템 전체에서 중요한 역할을 합니다. 사용되는 재료의 특성을 규정하고 중간재 특성을 생성하기 위한 배터리 시험은 발전을 위한 중요한 전제 조건입니다.
전기모빌리티 분야에서 쌓은 다년간의 기계적 시험 경험을 바탕으로 ZwickRoell은 언제나 각종 배터리 가치사슬 전반에 걸쳐 꼭 맞는 시험법을 제공하고 있습니다. 원자재, 셀, 셀 부품부터 자동차의 조립 및 재활용까지 ZwickRoell은 종합적인 배터리 시험을 위한 풍부한 경험을 갖춘 믿을 수 있는 파트너입니다.
업계 선도 기업, 과학 기관, 연구 기관과의 긴밀한 협업을 바탕으로 하는 ZwickRoell의 다양한 배터리별 기계적 시험법...
인장 시험 피로 시험 굴곡 시험 압축 시험 박리/접착/마찰 시험 전고체 전지 360° 가상 실험실 투어 상담 및 사전 시험 다운로드
...및 기능 및 구조적 시험법
배터리는 분야에 따라 그 성질과 종류가 다양합니다. 가장 잘 알려진 배터리: 리튬-이온 전지. 많은 전자기기와 전기자동차에 사용됩니다 (EV 배터리, 전기자동차 배터리). 그 외에도 현재 수많은 셀 화학물질이 지속적으로 개발되고 있습니다. 셀 화학물질에 따라 배터리 특성이 달라지기 때문에 정밀한 특성 규정은 기계적으로도 중요합니다. 원통형 셀, 프리즘 셀, 파우치 셀과 같은 셀 형식은 에너지 밀도, 공간 요구사항 및 성능 측면에서 그 장단점이 다양합니다. 따라서 각 분야별 요구사항에 따라 선택해야 할 배터리 유형과 셀 형식도 항상 다릅니다. 즉, 배터리 개발 및 생산 분야에는 매우 다양한 접근 방식이 존재한다고 말할 수 있습니다. 그러므로 광범위한 시험법을 이용할 수 있어야 합니다.
배터리는 어떻게 만들어지나요? 기계적 배터리 시험은 어떤 경우에 중요한가요?
- 리튬-이온 전지 가치사슬은 리튬, 코발트, 니켈, 알루미늄과 같은 원자재 채굴에서 시작됩니다.
- 원자재를 가공한 후 복잡한 과정을 거쳐 음극, 양극, 전극 등의 셀 부품이 생산됩니다. 이러한 셀 부품 생산 공정에서 시험은 품질과 신뢰성을 보장하는 데 중요할 뿐 아니라 중간재 기능의 특성을 규정하여 다중 물리 시뮬레이션을 위한 귀중한 데이터를 생성하는 데 중요합니다.
- 그런 다음 배터리 셀이 생산되어 고전압 저장 장치로 조립됩니다. 이때 기계적 배터리 시험은 배터리의 기능성과 안전성을 보장하기 때문에 결정적인 역할을 합니다. 배터리 셀과 모듈이 일상적으로 사용되면서 이들의 거동을 평가하기 위한 데이터를 수집합니다.
가치사슬 전반에 걸쳐 다양한 시험법을 구현하는 ZwickRoell은 업계와 연구 기관이 제기하는 다음과 같은 중요한 질문에 답하는 데 최선을 다합니다.
“공정 규격화 방법은 무엇인가요? 생산성 향상과 비용 감축을 모두 만족할 수 있는 방법은 무엇인가요? 일정 수준의 품질과 신뢰성을 보장할 수 있는 방법은 무엇인가요? 지속 가능한 환경을 위해 에너지, 재료, 원자재 비용을 줄일 수 있는 방법은 무엇인가요?”
Aleksander Koprivc - ZwickRoell 자동차-전기화 부문 사업 개발 책임자
배터리 시험에 관한 여러분의 모든 궁금증에 답해드리겠습니다.
배터리 포일 및 코팅 전극 인장 시험
배터리 포일 및 코팅 전극 인장 시험에서는 기계적 강도와 연장을 측정합니다.
배터리 포일 시험은 적용 분야에 따라 특히 필름 두께가 10µm 미만인 시험 기술에 대한 요구가 높습니다. 확실하고 반복 가능하며 재현이 가능하므로 신뢰할 수 있는 시험 결과를 보장하기 위해서는 정밀한 시편 취급과 신뢰할 수 있는 시편 그립이 요구됩니다. 따라서 인장 시험에서 재료 특성을 정밀하게 규정하는 데 중요한 역할을 하는 요소는 다음과 같습니다.
- 시편의 수직 정렬
- 부드러운 그립핑 기법
- videoXtens 신율계와 같은 광학 신율계를 통한 비접촉식 연장 측정
배터리 포일 및 필름용 스트립 커터
시편 삽입 보조장치
공압 그립
동영상: DIN 50154 / ASTM E345에 따른 배터리 포일 인장 시험
얇은 배터리 포일 및 필름 (알루미늄 및 구리 포일, 폴리머 분리막) 인장 시험을 위한 DIN 50154 및 ASTM E345 규격은 시험 시퀀스에서 고려될 수 있으며, ZwickRoell의 testXpert 시험 소프트웨어는 이 규격들을 지원하여 규격을 준수하는 시험 수행을 보장합니다.
ZwickRoell은 특히 배터리 재료 규격의 추가 개발에 적극 참여하기 때문에 ZwickRoell의 시험법은 앞으로도 모든 요건을 준수할 것입니다.
리튬 금속 포일 인장 시험
리튬 금속 포일 시험 시에는 특별한 어려움이 발생합니다. 리튬 금속 포일의 인장 강도는 불활성 환경에서만 측정할 수 있기 때문입니다. ZwickRoell에서는 글로브 박스라고 하는 특수 보호 가스 챔버와 이 목적을 위한 시편 준비 및 조작 옵션을 제공합니다. 이를 통해 제어되는 조건에서 정밀한 시험을 수행하여 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
분리막 포일 인장 시험
분리막 포일은 음극과 양극을 전기적으로 절연하는 동시에 리튬 이온이 흐르게 하여 배터리 셀에서 중요한 역할을 합니다. 배터리 셀의 효율성, 사용 수명, 안전성은 이러한 분리막의 기능에 크게 의존합니다. 시험 측면에서 분리막의 기본적인 요구사항은 ISO 527-3 및 ASTM D882에 따른 인장 시험과 EN 14477, ASTM D5748 및 ASTM F1306에 따른 펑츄어 테스트에서 다룹니다. 또한, 이들 시험은 현실적인 기계적 특성을 얻기 위해 전해질에 적신 상태에서 이루어집니다.
관련하여 추가적인 측면은 전극 코팅과 분리막 사이의 마찰 계수와 관련한 분리막 거동입니다. 이러한 물성값은 권선 공정에서 생산 매개변수를 설정하는 데 특히 중요합니다. ZwickRoell은 ZwickRoell 온도 챔버를 추가할 경우 실온뿐만 아니라 -20°C ~ +50°C의 작동 온도 범위에서도 시험을 수행할 수 있도록 하고 있습니다. 이를 통해 다양한 조건에서 분리막의 종합적인 특성을 규정할 수 있습니다.
배터리 포일 피로 시험
구리 및 알루미늄으로 만든 배터리 포일은 리튬-이온 전지의 집전체 역할을 하며, 생산 공정 및 전지 작동 중에 다양한 응력에 노출됩니다.
- 생산 공정에서 흠이 생기거나 코팅제가 고르게 발리지 않는 등 코팅 결함이 발생할 수 있습니다. 압연 공정은 이러한 결함을 완화시킬 수는 있지만 완전히 제거할 수는 없습니다.
- 배터리 작동 시 포일은 열 부하와 기계적 부하를 받기 때문에 피로의 징후가 나타날 수 있습니다. 또한 전해질과의 화학 반응으로 인해 부식이 발생하여 배터리 성능이 저하될 수 있습니다.
특정 부하 및 피로 현상은 배터리 설계 및 작동 조건을 비롯한 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 배터리 개발 및 최적화를 위해서는 항상 피로 시험을 통한 배터리 포일 및 필름에 대한 철저한 시험과 특성 규정이 필요합니다.
LTM 일렉트로다이나믹 피로시험기의 낮은 시험 하중을 이용하여 민감한 시편에 문제 없이 피로 시험을 수행할 수 있습니다. LTM에는 무오일 드라이브 기술이 탑재되어 있습니다. 선형 모터는 매우 조용하기 때문에 실험실에서 사용하기에 매우 적합합니다.
배터리 포일이 칼날에 손상되지 않도록, 연장 변화는 광학 비디오 신율계 videoXtens dynamic으로 측정합니다.
전극 코팅 굴곡 시험
활물질 코팅의 굴곡 강도 측정을 위한은 리튬-이온 전지의 사용 수명에 매우 중요합니다.
전극의 활물질은 50~100µm 두께의 코팅으로 이루어져 있고, 그 기계적 성질은 화학적 조성 및 생산 공정에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 이러한 지식은 처리 속도, 롤러 각도 및 예압과 같은 생산 매개변수의 최적 설정을 정의하는 데 중요합니다. 2점 굴곡 시험 장비를 사용하여 굴곡 강도를 측정하면 코팅을 손상시키지 않고 피뢰기 포일과 활물질 사이의 접촉이 유지되는 최대 허용 굴곡 각도와 굴곡 반경을 측정할 수 있습니다. 여기서 2점 굴곡 시험 장비와 내장형 고해상도 로드셀이 포함된 zwickiLine 시험기가 완벽한 솔루션이라는 것이 입증됩니다.
배터리 포일, 활물질, 코팅 전극 압축 시험
전극과 분리막이 쌓이는 압력은 셀 내의 효과적인 접촉에 매우 중요합니다. 이 압력은 셀의 사용 수명과 성능에 큰 영향을 미칩니다.
ZwickRoell은 이러한 동적 부하 조건을 정밀하게 시뮬레이션하고 그 특성을 규정하기 위해 배터리 포일, 활물질, 코팅 전극을 대상으로 다양한 압축 시험을 제공합니다.
- 압연 공정은 리튬-이온 전지의 전극 생산에서 중요한 역할을 합니다. 활물질, 바인더 및 전도성 첨가제 페이스트를 금속 포일 (음극에는 구리, 양극에는 알루미늄)에 도포합니다. 코팅된 필름은 압력 및 온도 조건에서 작동하는 롤러로 얇고 균일한 층으로 압착합니다.
- 리튬-이온 전지 셀의 에너지 밀도는 전기 구동 자동차의 범위에 큰 영향을 미치며, 이는 이 공정 단계에 따라 크게 달라집니다. 다양한 공정 변수를 통해 시스템 및 재료 매개변수를 최적화할 수 있습니다.
- 압축 변형 측정은 전극의 품질과 일관성을 모니터링하고 제어하는 데 도움이 되기 때문에 관련성이 매우 높습니다. 이러한 측정을 통해 활물질이 전극에 얼마나 잘 내장되어 있는지, 배터리 작동 중에 분리가 가능한지에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 최대 에너지 밀도와 배터리 성능을 달성하기 위해 압연 공정에 필요한 최적의 압력과 온도를 결정하는 데도 도움이 됩니다.
코팅 전극 및 프로토타입 셀 스택 (젤리 롤) 다기능 분석
코팅 전극과 프로토타입 셀 스택을 시험할 때 재료 및 부품 특성화는 장기적으로 효율성, 성능, 사용 수명을 보장하는 데 중요합니다. 이러한 물성값은 연구 개발과 품질 보증 목적으로 매우 중요합니다.
이에 ZwickRoell은 다기능 셀 부품 분석기 (MCCA)를 개발했습니다. 고정밀 선형 변위계 세 개와 수평조절 장치를 사용하여 전극 표면에 압력을 정확하게 가할 수 있습니다. 이를 통해 실제 압력 조건에서 전극 두께의 변화를 측정할 수 있습니다. 동시에 금도금 압축 테이블을 이용하여 전기 저항 측정을 바탕으로 압력에 따른 평가를 수행할 수 있습니다.
전기 충전 및 방전 공정에서 셀은 팽창 및 수축합니다(배터리 스웰링). 이로 인해 개별 부품에 압력 변화가 생깁니다. MCCA 시험 고정부를 사용하면 코인 셀과 같은 프로토타입 1차 전지에 대해 매우 정밀한 배터리 스웰링 시험을 수행할 수 있고, 젤리 롤에서 가장 작은 반복 셀 부품 스택의 충전 및 방전 주기에서의 거동 특성을 정확하게 규정할 수 있습니다.
다기능 셀 부품 분석기의 장점:
- 압력을 받는 코팅 전극의 스트레스-스트레인 거동 고정밀 측정
- 압력의 함수로서 전기 저항 측정
- 프로토타입 1차 전지 (코인 셀)의 배터리 스웰링 거동 측정
전극 코팅 공정에서의 고정밀 압축 시험
배터리 생산의 주요 과제는 전극 코팅 공정입니다. 안전한 배터리 작동을 위해서는 활물질의 우수한 기계적 안정성과 예측 가능한 노화 거동이 보장되어야 합니다.
- 따라서 압력을 받는 배터리 포일과 코팅 전극의 거동을 상세히 분석하는 것이 중요합니다. 계장화 나노 압흔은 힘-변위 곡선을 생성하는 데 사용되어 매우 얇은 층에 대한 압축 시험의 일부로 압입 계수를 기록할 수 있습니다. 이 공정에서 재료 개발, 품질 보증 및 배터리 시뮬레이션에 필수적인 데이터를 구할 수 있습니다.
- 활물질, 슬러리, 배터리 운반체 포일 사이의 연결은 품질과 성능에 매우 중요합니다. 최적의 접착력을 보장하려면 활물질 입자가 필름을 관통하여 최소한의 변형만 발생시켜야 합니다. ZwickRoell ZHN 나노 인덴터를 사용하면 실험을 통해 이 작은 변형을 조사하여 운반체 포일과 활물질 사이의 최상의 접착력을 얻을 수 있도록 포일 거동의 특성을 규정할 수 있습니다.
배터리 박리 및 접착 시험
기계적 물성값 외에 피뢰기 포일의 단면 또는 양면 코팅의 접착 강도는 매우 중요합니다. 이 연결은 배터리의 내부 전도성에 중요하기 때문입니다. 접착 강도는 배터리 수명에 따라서도 변하기 때문에 장기간 연결을 보장하는 것이 중요하며, 이 장기간 연결은 박리 및 접착 시험을 통해 얻을 수 있습니다. 전해질에 포함된 활물질을 분리할 경우 셀 안전성이 매우 저하됩니다. 따라서 음극과 양극 모두에서 전극 코팅의 접착 강도를 시험하는 것이 셀 생산 라인에서 직접 생산을 모니터링하는 데 중요합니다.
활물질과 기질 사이의 기계적 접착 강도는 다음과 같이 다양한 방식으로 측정할 수 있습니다.
90° 및 180° 박리 시험
활물질과 기질 사이의 기계적 접착 강도를 측정하는 데 사용하는 가장 일반적인 방법은 박리 각도가 90° 또는 180°인 박리 시험입니다.
- 두 가지 변형 모두에서 코팅된 필름은 매개물질(기질)에 적용된 후 지정된 필 각도에서 시험기에 의해 벗겨집니다.
- 이 방법은 규격화되지 않았기 때문에 비교하기가 매우 어렵습니다.
- 파손 유형 (응집 또는 접착 파손)의 중요한 정성적 평가는 이 방법을 이용하여 제한된 정도로만 가능합니다.
- 이 시험의 또 다른 단점은 재료 사용량이 많고 시편 준비에 시간이 많이 소요된다는 점입니다.
Z-방향 접착 시험
Z-방향 접착 시험은 접착 강도를 측정하고 고장 유형을 평가하는 가장 신뢰할 수 있고 재현 가능한 방법입니다. 인장 접착 Z-방향 고정부에서 시편 5개를 동시에 준비할 수 있습니다. 또한, 이 시험기는 각 시편에 대하여 정의된 접촉 압력과 기간 매개변수를 동일하게 자동으로 수행합니다. 이 시험 고정부는 박리 시험에 비해 측정 결과에 작업자가 미치는 영향이 적습니다.
이로써 개별 시편이 각각 Z 방향으로 분리되고 최대 접착 강도값이 정확하게 측정됩니다. 매우 효과적인 시편 준비와 반복 정확도가 매우 높다는 점 외에도, 이 방법을 통해 파괴 패턴의 응집 및 접착 구성요소도 측정할 수 있습니다. 이 시험 절차에서 얻은 결과에 대한 우수한 비교성 덕분에 생산 공정 중 코팅 품질에 대한 신뢰할 수 있는 모니터링을 보장할 수 있습니다.
전극 코팅, 피뢰기 포일, 분리막의 마찰력 시험
리튬 이온 전지 생산 중 전극 코팅, 피뢰기 포일 및 분리막의 마찰 계수를 측정하는 것은 생산 공정 중 문제를 식별하고 배터리의 품질과 성능을 보장하는 데 중요합니다.
수행할 수 있는 마찰력 시험은 다음과 같습니다.
- 코팅 접착 시험: 배터리 셀 여러 층 사이의 접착력을 시험합니다. 지정된 힘 또는 하중을 가하면 층이 분리되거나 결합하는 경향을 평가할 수 있습니다. 하중을 가했을 때 층이 분리되는 힘을 측정하면 마찰 계수에 대한 결론을 도출할 수 있습니다.
- 접촉력 및 변위 시험: 이 시험에서는 코팅이나 표면이 다른 재료를 이동하거나 분리하는 데 필요한 힘을 측정합니다. 이를 통해 압력을 받는 재료의 거동을 이해하고 마찰 계수를 정량화할 수 있습니다.
전고체 전지 부품의 특성 규정
전고체 전지에서 액체 전해질이 제거되어 경계층 접촉, 열팽창, 내노화성 같은 새로운 문제가 발생합니다. 전고체 전지 부품의 특성 규정을 위해 ZwickRoell은 특수한 전고체 전지 요구사항을 다루는 광범위한 시험법에 사용할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
- 리튬 금속 음극의 기계적 특성 규정은 까다로울 수 있습니다. 시편 준비 및 인장 강도 측정은 강한 열화 때문에 불활성 가스 환경에서 수행해야 합니다. 또한 민감한 취성 재료는 특수 시편 클램프로 매우 조심스럽게 다루고 광학 신율계를 이용하여 축방향 변위를 안정적으로 측정해야 합니다. ZwickRoell에서는 특수 보호 가스 챔버 (글로브 박스), 시편 준비 및 조작 옵션, 비접촉 시편 측정을 위해 채택된 광학 신율계를 제공합니다.
- 또 다른 문제는 복합 양극이나 고체 전해질 분리막과 같은 다른 구성요소의 기계적 특성을 측정하는 것입니다. 이러한 구성요소의 강도는 생산 공정의 설계와 안정적인 배터리 기능성에 매우 중요합니다. ZHN 나노 인덴터는 영률, 경도, 굴곡 강도 및 파괴 인성을 조사하기 위해 다양한 기계적 특성을 지닌 폴리머, 산화물 또는 황화물로 만들어진 고체 전해질의 특성을 규정하는 데 사용할 수 있습니다.
배터리 스웰링 시험: 충전 및 방전 주기에서 셀 거동의 특성 규정
충전 및 방전 공정에서 배터리 셀의 거동, 특히 배터리 스웰링 또는 배터리 호흡이라고 부르는 셀의 팽창은 성능과 사용 수명에 영향을 미칩니다. 이 현상은 특히 프리즘 셀과 파우치 셀, 전고체 전지에서 더 확연하게 나타납니다. 그러나 원통형 셀 팽창에 대한 이해 역시 새로운 세대의 배터리 개발에서 점점 더 중요해지고 있습니다.
동시 템퍼링 조건에서 이러한 거동의 특성을 정확하게 규정하는 것이 중요합니다. 모듈 내에서 셀이 팽창할 경우 셀에 가해지는 압력이 변하기 때문에 모듈 내 조립 시 셀의 호흡을 고려해야 합니다. 이러한 압력과 온도는 셀의 사용 수명과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 셀 호흡 및 스웰링의 특성을 정확하게 규정하는 것이 매우 중요합니다. ZwickRoell은 전기화 주기화, 고정밀 변형 측정, 장기 시험 공정, 온도 제어 등 충전 및 방전 주기에서 셀 거동의 특성을 규정하는 다양한 방법을 제공합니다.
- 전체 배터리 셀의 온도 제어
온도 챔버를 사용하여 배터리 셀을 원하는 작동 온도로 가열하기 때문에 시험 기간 동안 챔버 내 온도가 일정하게 유지됩니다. 제어는 온도 챔버의 주변 온도를 기준으로 이루어집니다. 위험도에 따라 온도 챔버 또는 적절한 위험 수준을 갖춘 사전 예방 챔버를 통해 시험 중 안전이 보장됩니다. - 전체 배터리 셀의 정밀하고 균일한 온도 제어
압축 테이블을 능동적으로 가열 또는 냉각하여 배터리 셀의 표면 온도를 위에서 아래까지 균일하게 조작하고 정밀하게 제어합니다. 반면에 배터리 셀의 국부적인 온도 변동을 보상할 수도 있습니다. 높은 방전 전류에서의 임계 온도 등에 대응할 수 있고 신뢰할 수 있는 시험이 보장됩니다.
이러한 시험 유형은 MBTS와의 협업을 통해 개발했습니다. 현재 다양한 온도, 압력, 방전 속도가 차량용 표준 리튬-이온 전지 셀의 전기적 특성에 미치는 영향을 연구한 논문도 발표되었습니다.
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