리튬이온 전지와 어큐뮬레이터 테스트

자동차 산업 제조사와 OEM이 변혁의 시기를 겪고 있다. 미래의 친환경 모빌리티를 위한 솔루션은 어떤 모습일까? 배터리일까 아니면 수소 전지일까? 또한 이러한 기술은 얼마나 안전할까? Zwick Roell은 이 기술을 효율적으로 장기간 작동할 수 있도록 R&D와 양산용 테스트 솔루션을 개발했다.

Dr. 페터 슈티프(Peter Stipp): awikom GmbH 기술 저널리스트

핵심 내용

  • 리튬이온 전지는 모듈로 조립되고 전기적으로 연결된다. 다수의 모듈이 연결되어 하나의 배터리 팩이 만들어진다.
  • 개별 구성품에 필요한 테스트는 순수한 물질 테스트에서 구조 테스트, 기능 시험, 사고 시 기계적 영향의 결과 등 다양하다.
  • Zwick Roell이 수많은 테스트를 위해 넓은 포트폴리오의 테스트용 기계를 제공한다.

배터리가 됐든 연료셀이 됐든 두 기술은 모두 자동차를 기후 친환경적으로 만들 것을 약속한다. 안전 요건은 내연 기관과 마찬가지로 재료 테스트 및 구성품 테스트가 핵심 역할을 한다. 목표는 장기간 작동에도 높은 안전과 신뢰성을 보장하는 것이며, Zwick Roell이 다양한 테스트 솔루션으로 제조업체를 지원하고 있다. 테스트는 얇은 전극막의 순수한 재료 테스트에서 전극 코팅의 접착 강도와 재료가 고압 수소 대기에서 어떻게 거동하는가에 대한 테스트까지 다양하다.

리튬이온 전지는 원통형이든 각형이든 파우치형이든 구조에 상관없이 모듈로 조립된 후 전기적으로 연결되고, 연결된 다수의 모듈이 하나의 배터리 팩이 형성하여, 이 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 차량의 핵심 구성요소가 된다. 개별 구성품에 필요한 테스트는 순수한 물질 테스트에서 구조 테스트와 기능 시험 그리고 사고 시 기계적 영향과 결과까지 다양하다.

사용하는 재료는 작동과 제조 중에 다양한 전기화학적 부하와 열 그리고 기계적 부하에 노출된다. 따라서 인장 응력, 좌굴 및 균열 저항, 전단력, 접착 강도 및 천공 저항뿐만 아니라 탄성, 온도 응력 및 압축 강도를 확인한다. 또한 각형 셀의 관통 저항이나 어레스터의 용접 이음매 강도와 같은 구성 요소 기능 테스트가 있다. 예를 들어, 얇은 전극막에 대한 정확한 매개변수를 결정하기 위해 인장 시험을 위한 시편 홀더는 정렬하기가 쉬워야 하고, 짓눌리지 않게 막(<100μm)을 단단히 고정할 수 있어야 한다. 연신 매개변수 결정을 위해 신율계 접촉으로 인해 재료 특성 값이 영향을 받지 않는 것이 중요하다. 따라서 비접촉식 비디오 또는 레이저 기반 버전이 적합하다.

전극 코팅 테스트

관련 테스트 매개변수에는 전극 코팅의 접착 강도도 포함된다. 전극 코팅과 분리막 그리고 전해질의 상호 작용이 배터리의 특성을 결정하기 때문이다. 이 전극 코팅의 접착 강도는 배터리의 내부 전도성에 크게 기여하며 시간이 지남에 따라 변한다. Zwick Roell은 특수 인장 장치와 함께 Allroundline 시리즈의 재료 시험기를 사용하여 적합한 시험 솔루션을 제공한다. 실험에서 병렬로 안내되는 테스트 패널에는 우선 특수 양면 접착테이프가 접착된다. 이후 재단한 전극을 플레이트 사이에 놓고 다음 정의된 사전 힘을 사용하여 접착테이프로 단단히 접착한다. 접착 강도를 산출하기 위해 코팅이 집 전체에서 찢어질 때까지 인장 시험을 수행한다. 전극은 순간적으로 패널에서 분리된다. 최대 힘은 2,000 헤르츠의 측정값 파악 속도 덕분에 Zwick Roell의 Test Control 측정 및 제어 전자 장치에 의해 정확하게 기록되고 표시된다. 측정된 데이터로부터 전극 코팅의 기계적 안정성, 특히 집전체에 대한 접착력에 대해 중요한 정보를 얻을 수 있다.

접착 강도 외에도 전극 코팅의 탄성 매개변수는 테스트와 관련된 변수 가운데 하나이다. 나노 수준 박막의 기계적 특성에 대한 조사는 이전에 낮은 침투 깊이로 인해 고해상도 시스템에서만 가능하며 비용 집약적이다. 하지만 이러한 시스템으로도 변형의 탄성 성분, 크리프 및 이완 거동 또는 압력에 의한 재료의 전위를 확인할 수 없다. 이러한 요건에는 ISO 14577에 따른 계측 침투 테스트가 이상적이다. 표준 방법과 비교하여 힘과 침투 깊이를 로딩 및 언로딩 동안 지속적으로 측정한다. 이로부터 관통 경도 및 관통 작업의 소성 및 탄성 구성요소와 같은 관련 매개변수를 도출할 수 있다. 또한 사용자는 정의된 기간 동안 이미 달성된 힘 또는 침투 깊이를 기록하여 크리프 경향 또는 완화 경향과 같은 재료의 시간 종속 효과를 결정할 수 있다. Zwick Roell은 이 표준을 따르는 솔루션인 ZHN 나노인덴터를 제공한다.

ZHN 나노인덴터의 적용 분야는 필요한 힘과 변위 분해능으로 박막 또는 작은 표면적의 기계적 특성을 산출하는 것이다.

이 나노기계 테스터의 특별한 특징은 나노미터 범위의 경로 분해능으로 서로 완전히 독립적으로 작동하는 두 개의 측정 헤드이다. 첫 번째는 수직 방향(나노인덴터 원리)으로, 두 번째는 긁힘, 마모, 피로 및 마찰 테스트를 위해 측면 방향으로 작동한다. 측면 방향 시험을 통해 소위 힘 변위 곡선이 생성되고, 이 곡선으로부터 추가 재료 매개변수를 얻을 수 있다. ZHN 테스터의 또 다른 장점은 내부 프레임과 외부 프레임이 있는 2프레임 시스템이다. 이 구조는 외부 접착력을 분석할 수 있는 힘 측정으로부터 피에조 드라이브를 통한 힘의 적용을 분리한다. 기존 코일 시스템에서는 힘 적용과 힘 측정이 동일한 신호를 통해 진행된다.

ZHN 테스터는 1,000개 이상의 측정 위치로 완전 자동 측정이 가능하도록 설계되었다. 각 테스트 주기는 원하는 만큼의 부하 주기로 프로그래밍할 수 있다. ‘개방형 루프’ 모드에서는 선택적으로 힘과 거리 그리고 시간을 지정할 수 있고 ‘폐쇄 루프’ 모드에서는 데이터 포인트 수와 포인트당 유지 시간도 지정할 수 있다.

전극 코팅 접착력 시험

고압에서 재료 거동

미래에 상업용 에너지 담체로 수소를 사용하려면 저장과 분배 시스템에서 가능한 한 높은 비에너지 밀도가 필수적이다. 이것은 기체 수소를 압축하여 달성된다. 연료 탱크에서는 이미 최대 70MPa의 최대 압력에 도달한다. 주로 수소 인프라에서 보이는 압축기 및 연결 라인에는 더 높은 압력이 발생한다. 이 영역의 구성 요소는 온도와 압력으로 인한 스트레스 외에도 수소의 영향에 노출된다. 따라서 안전한 작동을 위해 충분히 치수화되어야 하고 필요한 특성 데이터를 산출해야 한다.

Zwick Roell은 고압 수소 분위기에서 재료 거동을 조사하기 위해 최대 100MPa의 수소 압력 탱크로 Fmax = 100kN인 서보 유압식 시험기를 확장했다. 이를 통해 준정적 인장, 피로 및 파괴 역학 테스트를 -85~150°C의 온도 범위에서 테스트하고 수행하였다. 수소 및 기타 참조 매체를 매체로 사용할 수 있다. 시스템 주변 장치로는 수소 처리를 위한 압력 압축기, 정교한 냉각 시스템 및 가열 장치가 포함된다. 새로운 모빌리티를 안전하게 구현하기 위해 해결해야 할 과제는 배터리 구동이냐 수소 구동이냐에 관계없이 까다롭다. 둘 다 안정적으로 작동하고 최대의 안전을 보장해야 한다. Zwick Roell은 다수의 테스트에서 스스로를 입증한 광범위한 테스트 장비 포트폴리오를 제공한다. 전극이 순간력으로 기판에서 분리되는 고정밀 인장 테스트에서 나노 범위의 전극 코팅 테스트, 고압 수소 분위기에서 재료 거동 테스트에까지 이른다. 효율적인 측정, 제어 및 계측 전자 장치를 통한 모든 테스트에서 제조업체들을 지원한다.