Cell/Module/Pack manufacturing
Safety & Efficiency
적절한 배터리 열 관리는 배터리의 작동 및 배터리 충전 시 배터리 셀을 제한된 온도 범위로 유지시킴으로써 더 긴 배터리 수명을 보장합니다. 배터리 셀에서 얼마나 많은 열이 방출될 수 있는지를 이해하기 위해서는 배터리 셀 설계의 기본적인 열 전달 특성에 대한 이해가 필요합니다. 전해질은 전도성이 높고 전기화학적 안정성이 우수하며 저온에서도 활용 가능한 것이 특징입니다.
그러나 많은 전해질 용액의 열 안정성은 구동 온도에서도 쉽게 영향을 받습니다. 그래서 과충전으로 인해 배터리가 발화가 될 정도로 과열될 수 있습니다. 리튬 이온 배터리의 음극재에는 다양한 금속(예: Co, Al, Mg 등) 외에도 니켈이 함유되어 있습니다. 니켈 함량과 배터리 성능 사이에는 양의 상관관계가 있어서 니켈 함량이 높을수록 배터리 성능은 높아집니다. 하지만 니켈은 외부환경에 쉽게 반응해 안정성이 떨어지기 때문에 니켈 함량에 따라 배터리의 열안정성 저하로 이어질 수 있으므로 안전을 위해 개선해야 합니다.
특히 충전/방전 동안에 발생되는 열에 대한 이해는 배터리 셀의 효율성, 성능 및 수명을 개선하는 데 매우 중요합니다. 코인 셀(Coin Cell)의 열적 특성을 측정하는 것은 배터리 공정들에 대한 통찰력을 제공하고 전류와 전압 측정 이상의 화학 변화를 정량적으로 비교할 수 있는 방법을 제공합니다. 이러한 모든 물리화학적 변화 동안 방출되거나 흡수되는 열의 양과 코인 셀 내의 에너지 변화 속도를 측정하는 것은 배터리 개발에 큰 도움이 되어 개발 과정을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
Analyzing Solution
대부분의 물질들은 온도 변화에 노출될 때마다 팽창하거나 수축함으로써 크기의 변화를 보여줍니다. 규칙적인 열팽창의 과정에 있든지 아니면 상전이 과정을 거치든지 간에, 물질은 줄어들거나 커집니다. 예를 들어, 폴리머 재질의 분리막(Separator)은 높은 온도에서 크게 줄어들 수 있어 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 배터리 셀의 분리막 내 변형 및 응력을 예측하려면 팽창/수축 거동을 측정해야 합니다. 이것은 열팽창계수(CTE)로 표현되는 열기계적 분석장치 (TMA)와 딜라토미터 (DIL)을 통해 측정 가능합니다.
비열, 열확산도와 열전도도를 측정하는 것은 배터리의 열적 특성에 대하여 종합적으로 이해할 수 있는 기반을 형성합니다. 배터리의 열물성을 파악하기 위해 네취는 Laser/Light Flash Analysis systems (LFA)과 Differential Scanning Calorimetry (DSC) 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 배터리의 열 관리 시스템의 문제를 방지할 수 있습니다.
STA 449 Jupiter series는 장비 구성적인 측면에서 유연성과 타의 추종을 불허하는 성능이 결합된 장비입니다. 플러그 교체 방식의 DSC 및 TGA 센서와 다양한 Furnace를 통해 정밀한 열분석이 가능합니다. 추가적인 GC-MS 시스템과의 결합을 통해 더욱 포괄적인 분석이 가능합니다.
우리가 노트북, 핸드폰 등을 사용하거나 충전을 하는 동안 배터리에서 열이 나는 것을 경험적으로 알고 있습니다. 즉, 배터리는 충전과 방전과정에서 일부에너지를 열로 방출하게 됩니다. 이때 발생하는 열이 작으면 전기에너지를 열손실 없이 효율적으로 충전과 방전이 이루어진다고 볼 수 있습니다. 이때 발생하는 열에너지를 측정을 하면 충방전 과정에서의 배터리의 효율을 계산해 볼 수 있습니다.
MMC 274 Nexus를 이용하면 코인이나 파우치 형태로 배터리 충방전과정에서 발생하는 열에너지를 측정 할 수 있습니다. 범용적인 리튬이온배터리중 하나인 LiR 2032를 이용하여 위와 같은 충전과 방전과정에서 발생하는 열에너지를 측정하였습니다.
25oC로 등온을 유지한 상태에서, 4.2V까지 45mA로 충전을 하고(①) 이완 단계(②)에서 MMC coin cell의 센서가 열평형에 도달하였습니다. 그 후 2.5V까지 45mA로 방전을 진행하고(③) 이완단계(④)로 측정을 마무리 하였습니다.
이때 전류 및 전압 신호는 배터리 사이클링 장비에서 네취 Proteus® 소프트웨어로 전송됩니다.
따라서 충전과 방전 중 손실된 에너지를 계산하기 위해 투입된 전력과 방출되는 열을 충전과 방전단계에서 독립적으로 계산 할 수 있고, 이러한 방식으로 투입된 전력과 방출된 열의 비율을 나타낼 수 있습니다. 위의 그림은 충전과정에서 열유속의 면적 평가가 이 투입된 전력(411.6 J)과 열유속 신호(-11.12J)를 자동으로 계산하고 두 값의 비율을 보여줍니다. 그 결과 충전과정에서는 97.3%의 효율이 나타났고, 그 뒤의 방전은 더 높은 발열량(-35.12 J)으로 인해 효율이 89.9%만 나타내는 것을 확인 할 수 있습니다.
Accelerated Rate Calorimeter (ARC)는 배터리가 어느 온도에서 폭발 반응을 일으키는지를 측정할 수 있는 장비입니다. MMC보다 더 큰 크기의 샘플(18650배터리까지 가능)의 폭발 반응을 측정할 수 있습니다.