리튬 이온 배터리의 성능 및 안전성 향상 : 재료 및 인터페이스 특성화

백지

Linda Romano, Ph.D., 과학자

행정상 개요

리튬 이온 배터리는 전기 자동차 (EV) 및 가전 제품에 대해 가볍고 효율적인 전력을 제공합니다. 다른 유형의 충전식 배터리보다 높은 에너지 밀도를 제공하기 때문에 미래가 밝을지라도 성능과 안전이라는 두 가지 중요한 문제를 해결해야합니다.

EV 애플리케이션의 경우 성능이 특히 중요합니다. 제한된 주행 거리와 배터리 성능 저하가 소비자의 EV 매력을 감소시킬 수 있습니다.

안전은 심각한 우려입니다. 스마트 폰과 EV의 배터리 화재 보고서는 소비자 안전 문제를 최전방에 제기했습니다.

최종 제품에 사용하기 위해 배터리를 선택하는 시스템 또는 애플리케이션 엔지니어는 전압 및 풋 프린트 요구 사항을 이해하지만 배터리 화학 또는 고장 메커니즘에 익숙하지 않을 수 있습니다. 이 백서는 잠재 공급 업체의 올바른 질문을 제기하고 제품에 특정 용도에 맞게 최적화 된 배터리가 포함될 가능성을 높이는 데 도움이되는 지식을 제공합니다.

이 백서는 또한 배터리 선택이 필요한 엔지니어에게 유용한 정보에 중점을 두어 리튬 이온 배터리에 대해 더 자세히 배우기위한 출발점이됩니다. 또한이 정보는 배터리 설계자에게 중요한 정보이므로 고객과보다 효과적으로 협업 할 수있는 통찰력을 제공합니다.

마지막으로이 백서에서는 성능을 향상시키고 안전 문제를 해결하기 위해 적절한 배터리 특성화가 중요한 이유를 보여줍니다. 먼저 리튬 이온 배터리의 작동 원리, 배터리 화학 및 배터리 재료의 추세에 대해 설명합니다. 우리는 또한 무엇이 잘못 될 수 있는지 설명합니다. 다양한 문제가 배터리 성능 저하 또는 고장에 영향을 줄 수 있으며 고장 원인을 이해하는 것은 복잡합니다.

우리는 고장 분석 어플리케이션의 예와 함께 다양한 현장 및 파괴적 특성화 기술을 설명합니다. 이 정보는 엔지니어가 적절한 배터리 특성화 기술을 선택할뿐만 아니라 독립적 인 테스트 시설에서 작업 할 때 어떤 질문을해야하는지 알 수 있도록 도와줍니다. 우리는 이미징 및 화학 분석을위한 기술을 다룹니다.

파괴적인 분석을 수행 할 때는 적절한 배터리 분해 절차가 중요합니다. 우리는 잘 숙달 된 인력의 필요성을 강조하면서 인식해야 할 문제의 개요를 포함합니다.

INTRODUCTION : 리튬 이온 배터리에 대한 수요 증가

리튬 이온 배터리는 경량이며 납산 또는 니켈 수소 (NiMH) 배터리보다 높은 에너지 밀도를 제공하므로 전기 자동차 (EV), 에너지 저장 장치 및 가전 제품에 대한 수요가 창출됩니다. 리튬 이온 배터리는 NiMH 배터리와 비교하여 1 킬로그램 (Wh / kg) 당 50 퍼센트 더 큰 용량을 갖습니다.

EV 업계는 고효율 배터리를 요구하고 있습니다. 이에 대응하여 자동차 제조업체들은 리튬 이온 배터리 생산을 강화하고 있습니다. 예 :

  • 테슬라는 500,000이 연간 2020 자동차 생산량을 지원하기에 충분한 리튬 이온 배터리를 생산할 것이라고 네바다에 "기가 팩트"를 구축하고있다.1
  • 모든 상용 EV에는 플러그인 하이브리드 자동차와 마찬가지로 리튬 이온 배터리가 포함되어 있습니다. 전기 또는 플러그인 모델을 판매하는 18 제조업체 및 2017에 더 많은 모델 제공2, 이것은 배터리 제조업체에게 고무적인 시장입니다.
  • 도요타는 하이 엔드급 프리우스 하이브리드 자동차에 리튬 이온 배터리를 공급함으로써 추가 중량을 추가 할 수있는 옵션을 포함하고 있지만 NiMH 배터리를 장착 한 모델과 동일한 마일리지를 달성 할 수 있습니다.3

중요한 문제 : 성능 향상

리튬 이온 배터리의 장점에도 불구하고, 그들은 광범위한 채택을 지연시킬 수있는 몇 가지 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 작동 수명과 전체 수명은 주요 문제로 남아 있습니다.

충전 사이의 작동 수명은 구형 디자인보다 오늘날의 배터리에서 더 크지 만, 특히 EV의 경우 개선의 여지가 충분합니다. 휴대 전화 배터리는 대부분의 소비자에게 충분한 까다로운 애플리케이션을 실행하는 경우에도 충전이 필요하기 전에 하루 종일 지속될 수 있습니다. 충전이 필요하면 콘센트를 찾고 1 시간 이내에 휴대 전화를 충전하는 것이 쉽습니다. 향상된 EV 범위는 많은 차량에서 100 마일 이하로 제한됩니다. 충전소가 항상 편리하게 위치해있는 것은 아닙니다. 표준 수준의 2 충전기는 방전 된 배터리를 충전하는 데 많은 시간이 걸리므로 먼 거리를 여행해야하는 운전자에게는 실용적이지 않습니다.

리튬-이온 배터리 성능은 배터리 재료와 디자인 및 최종 용도에 따라 달라지는 시간에 따라 저하됩니다. 이 백서의 "일반적인 배터리 오류"섹션에 설명 된대로 여러 가지 이유로 배터리 성능이 저하 될 수 있습니다.
휴대 전화 및 랩톱에 사용되는 리튬 이온 배터리는 몇 년 동안 지속되어 더 이상 충전 할 수 없습니다. 전기 자동차에 사용되는 자동차는 훨씬 더 견고해야하며 많은 경우 8-10 년, 100,000 마일 보증이 제공됩니다. 그러나이 기간 동안 충전 용량이 줄어들어 자동차의 재판매 가치가 낮아질 수 있습니다.

중요한 문제 : 안전 문제 해결

7 년 2016 월 삼성 갤럭시 노트 7 폰의 리콜은 리튬 이온 배터리 안전 문제를 최우선으로했다. 삼성은 처음에 특정 제 2017 자 배터리 공급 업체의 제조 결함으로 인해 장치가 화재를 일으킨 원인이라고 생각했습니다. 이 회사는 고객에게 다른 공급 업체의 무료 교체 배터리를 제공했습니다. 교체 배터리가 장착 된 휴대폰에서도 화재가 발생했을 때 삼성은 3 월에 모든 Galaxy Note XNUMX 휴대폰의 제조를 중단하여 대응했습니다. XNUMX 년 XNUMX 월 현재 거의 XNUMX 백만
참고 7 판매 된 휴대폰은 삼성으로 반환되었습니다. 삼성의 이야기는 최종 애플리케이션을 염두에두고 배터리를 설계하고 철저한 시스템 레벨 테스트를 수행하는 것의 중요성을 강조합니다. 삼성은 배터리 설계를 계속해서 비난하지만 특정 휴대 전화의 전력 및 풋 프린트 요구가 중요한 역할을 한 것으로 보입니다.

배터리 발사가 시작된 후 몇 분 안에 자동차가 완전히 소모 된 테슬라 자동차와 관련된 몇 가지 극적인 사건으로 인해 리튬 이온 배터리의 신뢰성이 매우 중요했습니다. Tesla는이 문제를 해결하기 위해 2014의 모델 S 차량으로 디자인을 변경하여 티타늄 및 알루미늄 차체 차폐물을 추가하여 도로 파편이 배터리 팩에 쉽게 침투 할 수 없도록했습니다.4 이 측정에도 불구하고, 2 대의 모델 S 차량은 2016에서 불을 붙 잡았다.5,6

리튬 이온 배터리는 다른 종류의 배터리에 비해 발화하기 쉽습니다. 배터리 사용 횟수는 사용중인 배터리 수에 비해 극히 적지 만 리튬 이온 배터리가 안전하다는 소비자의 신뢰를 위해 화재의 위험을 대폭 줄여야합니다. EV 잡는 불의 전망은 무섭다.

화재는 양극과 음극 사이의 단락으로 인해 배터리가 안전하지 않은 온도까지 가열 될 때 발생합니다. 왜 리튬 이온 배터리로 인한 위험이 더 큰지 그리고 이러한 위험을 최소화하는 방법을 이해하려면 사용자는 리튬 이온 배터리의 작동 원리와 무엇이 잘못 될 수 있는지 이해해야합니다.

리튬 이온 배터리 이해하기

어떻게 일합니까? 배터리 화학

리튬 이온 배터리는 각 셀 내부의 가역적 인 화학 반응으로 인해 음극 (양극)과 양극 (음극) 사이에서 이온이 이동하는 모든 충전식 배터리와 비슷한 방식으로 작동합니다. 배터리가 충전되면 외부 전류가인가되고 리튬 이온은 캐소드에서 애노드로 이동합니다. 방전 중에 리튬 이온은 캐소드로 다시 이동하여 에너지를 방출하여 장치에 전원을 공급합니다. 세포는 이온이 통과하는 전해질로 채워져있다.

리튬 이온 충전식 배터리 : 배터리 특성화 프로젝트의 충전 메커니즘.

리튬 이온 재충전 배터리 : 배터리 특성화 프로젝트의 방전 메커니즘.

피규어 1a 및 b : 프로세스의 다이어그램; 리튬 이온 충전식 배터리 충전 및 방전 메커니즘.
(출처 : 이미지 제공 : 마샬 브레인 (Marshall Brain), 원래는 "리튬 이온 배터리 작동 방식", 11 월 14, 2006. HowStuffWorks.com, http://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/lithium-ion-battery. htm)

각각의 전지 셀은 캐소드로부터 애노드를 전기적으로 분리하기 위해 통상적으로 고분자막 인 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터의 완전성은 배터리 안전에 중요합니다.

리튬은 매우 반응성이 강한 금속입니다. 이것은 에너지 저장을위한 귀중한 특성이지만 또한 리튬 이온 배터리를 잠재적으로 위험하게 만듭니다. 내부 배터리 온도가 너무 높으면 반응이 불안정해질 때까지 속도가 빨라집니다. 배터리 설계는 내부 열을 방출하는 안전 벤트를 추가하고 특정 온도 이상에서 융합하는 미세 다공성 분리막을 사용하여 과도한 이온 수송을 차단하는 등 열 폭주의 가능성을 최소화하는 기능을 통합 할 수 있습니다.

배터리 수명이 다하면 각 충전 사이클마다 셀 안의 화학 물질이 고갈되어 시간이 지남에 따라 용량이 감소합니다. 고체 전해질 계면 (SEI) 층이 전극 위에 형성되어 더 많은 이온 수송을 제한합니다.

배터리 특성화 프로젝트에서 두 건의 배터리 - 새로운 배터리 1 개와 100 번 사이클 1 개.

그림 2 : 두 건전지 - 새로운 건전지 하나와 100 건전지를 한 번씩 차례로 볼 수 있습니다.
(출처 : 이미지 제공 : N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht, 원래 "Discharge Assemblyology for Conducting Failure Analysis for Lithium-ion Batteries"에 게재. J. Mater Sci : Mater Electron 22, 1616 2011)

전지 재료의 동향

리튬 이온 배터리는 Sony가 1991에서이 기술을 상용화 한 이후 재료 및 조립 공정에서 개선을 보였습니다.7  1990에서 발행 된 미국 특허는 리튬 이온 배터리에서 흔히 볼 수있는 포일 형태 및 전해질 물질의 발전을 설명합니다.8,9

음극 재. 원래의 음극 재는 리튬 코발트 산화물 (LiCoO2). 일부 상용 리튬 이온 배터리에는 리튬 철 인산염 (LiFePO4) 또는 리튬 망간 산화물 (LiMn2O4) 음극.

리튬 망간과 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NMC) 음극 물질을 결합하면 EV 용 가속 및 구동 범위의 최적 조합을 갖춘 배터리가 생성됩니다. Nissan Leaf, Chevy Volt 및 BMW i3와 같은 차량은 NMC 배터리로 작동합니다. 테슬라 차량은 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA) 배터리를 사용합니다.

양극 재료. 대부분의 리튬 이온 전지는 흑연 형태의 탄소 양극을 포함합니다. 리튬 금속 애노드는 에너지 밀도가 높기 때문에 매력적이지만 단락을 일으킬 수있는 수상 돌기 형성이 일어나 배터리 발사 위험을 높입니다. 실리콘 기반의 애노드는 에너지 밀도를 높이는 또 다른 옵션이지만 SEI 레이어를 형성하면 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.

배터리 특성화 프로젝트에서 리튬 이온 배터리 용 양극 재료의 발전.

그림 3 : 리튬 이온 배터리 용 음극 재료의 발전.
(출처 : 이미지 제공 : N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht, 원래 "Discharge Assemblyology for Conducting Failure Analysis for Lithium-ion Batteries"에 게재. J. Mater Sci : Mater Electron 22, 1616 2011)

MIT의 SolidEnergy Systems는 표준 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 용량을 두 배로 늘리는 얇은 리튬 포일 애노드로 배터리를 상용화하고 있습니다. 회사는 단락의 위험을 최소화하도록 설계된 새로운 전해질을 만들었습니다.

전해질. 전해질은 액체 또는 고체 (겔) 일 수 있으며 일반적으로 중합체 기반이며 유기 용매와 리튬 염으로 구성됩니다. 액체 전해질은 리튬 이온을보다 효율적으로 전달하지만, 매우 인화성이 있습니다. 고체 전해질은 전도성이 적지 만 화재를 일으키지 않으므로 안전합니다. 재료 선택은 액체 전해질의 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 일 예는 리튬 헥사 플루오로 포스페이트 (LiPF6)을 에틸렌 카보네이트와 디 에틸 카보네이트의 혼합물에 용해시켰다. 용매 혼합물은 그 자체가 사용하는 용매보다 더 안정하다.

다양한 애플리케이션을위한 배터리 폼 팩터

각 배터리 셀에는 금속 케이스에 넣어 진 양극 및 음극 재료의 적층 시트가 있습니다. 구리 포일은 애노드 재료 (전형적으로 흑연 분말)로 코팅되고, 알루미늄 포일은 캐소드 재료로 코팅된다; 이들은 폴리머 분리기로 끼워지고 수직으로 또는 더 일반적으로는 코일로 권취되어 적층된다.

일단 전극이 알루미늄 케이스 또는 호일 주머니에 넣어지면 밀봉하기 전에 전해질로 케이스를 채 웁니다. 대부분의 배터리에는 사용 중에 전해액이 파괴되어 생성되는 가스 부산물을 배출하는 방출 밸브가 있습니다. 셀 모양은 표준 알칼리성 AA 배터리와 유사하거나 원뿔형 (정사각형 또는 직사각형) 일 수 있습니다.

배터리 팩은 여러 개의 상호 연결된 셀로 구성됩니다. 셀을 직렬로 연결하면 배터리가 작동하는 전압이 증가하고 여러 셀 또는 셀의 행을 병렬로 결합하면 배터리가 견딜 수있는 전류가 증가합니다.

공통 전지 오류

리튬 이온 배터리는 애노드와 캐소드 사이에 단락이 발생할 때 격변 적으로 실패 할 수 있습니다. 셀 내부의 많은 제조상의 결함은 그러한 고장의 가능성을 증가시킬 수있다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

  • 전극 포일에 Burrs
  • 전극 재료의 공극
  • 화학 오염
  • 전극의 불규칙한 입자 형태

리튬 이온 배터리를 소싱하는 애플리케이션 엔지니어는 이러한 결함을 쉽게 식별 할 수있는 방법이 없습니다. 자격 시험 중 가속 수명 시험을 통해 배터리가 안전하고 기대에 따라 작동하는지 확인할 수 있습니다.

배터리는 용량이 특정 지점을 벗어나 줄어들 때 실패한 것으로 간주 될 수도 있습니다. 과열 및 고전압에서 작동하면 배터리 수명을 단축시키는 메커니즘이 가속화 될 수 있습니다. 사용 중에 몇 가지 다른 문제가 발생할 수 있습니다.

  • 전기 활성 이온의 손실로 전력 밀도 감소
  • 전극의 과도한 성장
  • 전해질 내의 용매 또는 리튬 염의 고장
  • 방전 속도를 비가 역적으로 증가시키는 전극의 팽창
  • 밀폐 된 세포를 파괴 할 수있는 압력 형성
  • 금속박에서 전극 박리
  • 기계적 응력으로 인한 전극 크래킹

아래 차트는 리튬 이온 배터리 셀의 성능 저하를 초래할 수있는 다양한 메커니즘을 보여줍니다.

배터리 특성화 프로젝트에서 배터리 셀의 성능 저하로 이어지는 메커니즘의 진행.

그림 4 : 배터리 셀의 성능 저하로 이어지는 메커니즘의 진행.
(출처 : N. Willard, B. Sood, M. Osterman, M. Pecht의 이미지 제공 : 원래 "Disassembly
리튬 이온 배터리의 고장 분석 수행 방법론 "J. Mater Sci : Mater Electron 22, 1616 (2011)

리튬 이온 건전지의 특성

특성화 및 실패 분석의 필요성

배터리 제조업체와 최종 사용자는 더 높은 성능과 안전성을 요구하므로 제조 및 설계상의 결함을 파악하는 것이 중요 해지고 있습니다.

배터리는 배터리 비용을 높이 지 않고도 효과적 일 수있는 재료 및 공정을 사용하여 성능 및 안전성을 가장 효과적으로 향상시킬 수있는 방법을 결정하기 위해 현장 테스트 및 파괴 테스트를 모두 사용하여 평가해야합니다.

적절한 특성 결정 기술의 선택은 필요한 정보, 정확도 수준, 자격 및 테스트 예산에 달려 있습니다. 비파괴 검사는 배터리를 분해 할 필요가 없지만 추출 할 수있는 정보의 수준은 제한되어 있습니다. 가장 정밀한 기술은 가장 비싼 수단을 사용하고 대부분의 시간이 걸리는 경향이 있지만 때로는 고장 메커니즘을 이해하고 배터리 설계를 향상시키기 위해 필요합니다.

광학, X 선 및 전자 현미경 : 레이어 및 인터페이스의 고해상도 이미징

현미경 기법은 배터리의 다양한 층을 이미지화하는 데 사용됩니다. 광학 현미경 검사는 큰 균열을 검사하기에 충분할 수 있지만 현미경상의 구멍 (보이드) 및 결함과 같은 미세 구조의 변화를 관찰하고 층 두께를 측정하기 위해서는 주사 전자 현미경 (SEM) 또는 투과 전자 현미경 (TEM)이 필요합니다.

SEM과 TEM은 본질적으로 파괴적인 기술이지만, 이온 밀링은 시료의 무결성을 보존하여 시험 전의 전지 재료의 원래 상태를 정확하게 나타낼 수 있습니다.

Carl Zeiss와 University College의 연구자들은 20 μm에서 100 nm (0.1 μm)까지의 길이 범위에서 상업용 리튬 이온 배터리의 미세 구조를 검사하기 위해 SEM뿐만 아니라 광학 및 X 선 현미경을 사용했습니다.10 연구팀은 사이클 전후에 배터리를 조사하여 롤의 바깥쪽에 형성된 균열을 이미징하고 미세 구조 기반 성능 저하를 확인하는 이미징 특성화 기술의 중요성을 입증했습니다.

전극 - 전해질 계면 반응에 의한 SEI 층은 너무 얇기 때문에 TEM으로만 시각화 할 수 있습니다. 오크 리지 국립 연구소 (Oak Ridge National Laboratory)의 연구원은이 기술을 사용하여 예를 들어 SEI의 결함으로 성장하여 리튬 애노드에서 형성되는 수상 돌기를 분석했습니다.11 X 선 회절과 결합 된 TEM은 전극을 통한 리튬 이온의 확산과 관련된 상 변환을 분석하는 데 사용될 수 있습니다.

배터리 특성화 프로젝트에서 음극의 고해상도 TEM.

그림 5 : 음극의 고해상도 TEM.
(출처 : EAG Laboratories)

XPS : 측정 전극 및 전해질 조성 화학

X 선 광전자 분광법 (XPS)은 음극, 양극 및 격리 판 내의 리튬 및 기타 원소의 이동을 보여주는 배터리의 다양한 층의 구조와 구성을 분석하는 데 유용한 도구입니다. XPS는 오류 분석에 도움이 될 수있는 세부 정량적 정보를 제공하거나 재료 또는 디자인의 변경이 SEI 형성에 어떤 영향을 미치는지 보여줄 수 있습니다.

배터리 특성화 프로젝트에서 애노드, 캐소드 및 분리기의 XPS 스펙트럼.

그림 6 : 양극, 음극 및 분리기의 XPS 스펙트럼.
(출처 : EAG Laboratories)

XPS는 TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry)와 함께 사용되어 실리콘 기반 양극에서 SEI 형성을 분석하고 첨가제가 SEI 층의 안정성을 향상시키는 방법을 이해하기 위해 구조 및 조성을 조사합니다.12 배터리 기술 연구 프로그램 (Advanced Battery Materials Research Program)하에있는 미국 에너지 부 (Vehicle Technologies Office)의 차량 기술 사무소 (Vehicle Technologies Office)는 전기 자동차 배터리를 개선하기위한 목적으로이 연구에 자금을 지원합니다.

GDMS : 불순물 모니터링
GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry)는 미량 원소를 검출하는 데 유용합니다. 배터리 애플리케이션에서이 기술은 배터리 성능에 악영향을 줄 수있는 불순물 및 오염 물질을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기법의 한 가지 예방책은 부적절한 배터리 분해로 인해 배터리에 아직 존재하지 않는 오염 물질이 유입 될 수 있다는 것입니다.

FTIR : 배터리 작동 중 화학 공정 연구
푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광학은 화학 성분을 분석하는 또 다른 방법입니다. 이 기술은 전해액이인가 전압의 함수로서 배터리 사이클링으로 분해됨에 따라 형성되는 SEI 층의 성분을 분석하는 데 사용되어왔다.13

ICP-OES : 음극의 성능 추적
ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Light Emission Spectrometry)는 시료의 종을 가열하고 이온화하여 미량 금속의 존재를 검출하는 데 사용됩니다. EAG Laboratories는 다양한 충전 상태에서 또는 특정 횟수의 충전 / 방전 사이클 후에 배터리 셀에서 음극을 분리하는 기술을 개발했습니다. 연구진은 ICP-OES를 사용하여 음극에서 리튬 및 망간의 양을 정확하게 측정하여 배터리 성능 저하와 관련된 리튬 함량의 미세한 변화를 측정했습니다.

GCMS : 부풀린 배터리 조사
배터리 애플리케이션을위한 가스 크로마토 그래피 - 질량 분석기 (GCMS)는 전해질이 파손되는 동안 방출되는 가스를 분석하기 위해 배터리 셀에 구멍을 뚫어 가스를 사이펀 화해야합니다. 이 기술은 특히 배터리가 팽창하거나 열 폭주를 경험 한 경우에 유용합니다. 이러한 고장 메커니즘은 조기의 전해질 파괴와 관련되어 있습니다.

라만 분광법 : 상 분석
라만 분광법은 화학 종을 확인하기 위해 분자의 진동 에너지를 측정합니다. 광학 현미경으로 기술을 결합하여, 공 촛점 라만 현미경은 샘플 내 위상의 공간 분포에 대한 세부 정보를 제공합니다. 예를 들어, 충전 된 리튬 입자가 음극의 클러스터에 균일하게 또는 그룹으로 분류되어 있는지를 결정하는 것이 가능하다.

라만 현미경은 고장 분석이나 배터리 재료 개선 연구를 위해 리튬 이온 배터리의 SEI 형성을 이해하는 데 유용합니다. 예를 들어 미 육군 연구소와 극한 배터리 연구 센터에서는 공진 라만 현미경을 사용하여 고급 전해질 개발에 대한 연구의 일환으로 리튬 이온 배터리의 전해질과 음극 사이의 계면에서 발생하는 계면을 분석했습니다.14

독립 시험의 중요성

배터리 제조업체는 배터리를 고객에게 선적하기 전에 테스트하고 자격을 갖추지 만 배터리가 안전하고 요구 된 사양대로 작동하도록 고객이 스스로 자격을 취득하는 것은 여전히 ​​의미가 있습니다. 이는 특히 공급 업체 또는 제품을 전환 할 때 좋은 비즈니스 관행이지만 올바른 품질 관리를위한 과정이기도합니다.

또한 문제의 원인을 이해하기 위해 결함있는 배터리에 대한 고장 분석을 수행하는 것이 중요합니다. 순환 전압 전류 그래프 (그림 2 참조)는 방전 전류가 시간에 따라 떨어지는 것을 측정하지만 배터리 용량이 감소한 이유는 설명하지 않습니다. 철저한 고장 분석은 배터리를 분해해야 할 가능성이 높습니다. 이는 운전자의 안전을 보장하고 배터리의 작동 상태를 유지하기 위해 올바르게 수행되어야하는 프로세스입니다.

배터리 분해 절차

다양한 표준이 리튬 이온 배터리의 제조, 테스트 및 운송을 다루는 반면, 기존 표준은 리튬 이온 배터리 분해를 다루지 않습니다. 메릴랜드 대학교 (University of Maryland)의 연구원은 모범 사례를위한 절차를 개발했습니다.15

배터리 특성화 프로젝트에서 분해 된 배터리.

그림 7 : 분해 된 배터리.
(출처 : EAG Laboratories)

분해는 습기 또는 오염 물질의 유입을 피하고 기술자가 독성 화합물을 흡입하지 못하도록 통제 된 환경 (일반적으로 아르곤으로 채워진 글로브 박스)에서 수행해야합니다. 배터리 제조업체의 물질 안전 데이터 시트를 참조하여 배터리에 포함 된 재료와 위험 요소를 이해하는 것이 중요합니다.

배터리는 분해하기 전에 방전되어야합니다. 배터리 팩에서 셀을 제거하고 배터리 셀 케이스를 자르면 실수로 단락이 발생할 수 있습니다. X- 레이 이미징은 기술자가 정확하게 절단 할 곳을 볼 수있게합니다. 이렇게하면 잘못된 위치에서 절단되어 전기적 단락이 발생할 위험이 최소화됩니다. 셀 내의 재료 층을 풀면서 전극을 깨지 않도록주의해야합니다. 해체 된 셀을 테스트 기기에 운반 할 때 수분 및 산소 수준을 제어해야합니다.이 경우 셀을 진공 밀폐 된 용기에 보관해야 할 수 있습니다.

안전 문제 외에도 부적절한 분해 절차로 인해 오도 된 결과가 발생할 위험이 있습니다. 예를 들어 해체 중에 단락이나 오염 물질이 유입되면 고장난 배터리로 인한 것일 수 있습니다. 작업자는 적절한 분해 절차에 따라 교육을 받아야하며 필요한 도구와 장비에 액세스 할 수 있어야합니다. 이는 고장 분석을 사내에서 수행 할 때 실현 불가능할 수 있습니다.

체약 공인 자격 및 테스트

대부분의 애플리케이션 엔지니어는 적절한 특성화 도구를 모두 보유하고 있지 않습니다. 이들은 시설이 광범위한 내부 R & D를 수행하지 않는 한 일반적으로 투자 가치가없는 비싸고 전문화 된 도구입니다. 대부분의 고객의 경우 철저한 분석을 수행 할 수있는 장비와 지식을 갖춘 타사 독립 테스트 시설에 배터리 적격성 평가 및 테스트를 계약하는 것이 더 비용 효율적입니다. 독립 시설은 배터리 제조업체와 고객이 신뢰할 수있는 전문적이고 편견없는 분석을 제공합니다.

결론

리튬 이온 배터리는 단위 무게 당 에너지 밀도 측면에서 현재 최첨단 기술로 휴대 전화에서 전기 및 하이브리드 차량으로의 제품 사용이 증가하고 있습니다. 그러나 리튬 이온 배터리는 치명적인 고장을 겪을 수 있으므로 공급망 전체에 걸쳐 철저한 검증 및 테스트가 필요하다는 점을 주목해야합니다.

고장난 배터리를 특성화하기 위해 독립적 인 테스트 시설을 고용하면 OEM이 배터리가 고장난 이유를 설명하고 결함이있는 배터리가 제품의 고장 원인인지 또는 다른 곳을 봐야하는지 여부를 이해하는 데 사용할 수있는 객관적이고 신뢰할 수있는 결과를 제공합니다. 원인을 결정하십시오. 독립적 인 특성 분석은 여러 공급 업체의 배터리를 평가할 때 제품 개발 단계에서 유용합니다.

작가 소개

Dr. Linda Romano는 EAG Laboratories의 재료 과학 분야의 과학자입니다. 그녀는 현재 배터리 방전 및 분리를위한 프로토콜을 포함하여 배터리 프로젝트의 테스트, 분석 및 특성화를 관리합니다. Romano 박사는 반도체 및 광전자 공학 분야의 경험을 가진 EAG Laboratories에 합류했습니다. 그녀의 연구 대부분은 재료의 미세 구조적 결함과 광전자 특성에 미치는 영향에 중점을 둡니다. 회사에 합류하기 전에 Romano 박사는 Xerox Palo Alto Research Center, Philips-Lumileds 및 여러 신생 회사에서 근무했습니다. 그녀는 현재 82 미국 특허, 28 유럽 특허를 보유하고 있으며 기술 저널에 100 논문을 발행했습니다. Romano 박사는 박사 학위를 받았다. University of Illinois, Urbana의 Materials Science에서

참조
  1. "테슬라 Gigafactory."테슬라. www.tesla.com/gigafactory. 편물. 액세스 9 월 26, 2016.
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