EV 배터리 누출 테스트 정확도 향상으로 더 안전한 리튬이온 팩 구현

하이브리드 전기차 및 전기차(EV)에 사용되는 리튬이온(Li-ion) 배터리에게 수증기 노출은 사형 선고나 다름없습니다. 수분이 배터리 셀 내부로 유입되어 전해질과 반응하면 산이 생성됩니다. 그리고 그 산은 발열 반응을 일으켜 열폭주(thermal runaway), 즉 내부 화재로 이어질 수 있습니다.

치명적인 셀 손상은 최악의 시나리오지만, 산 침투를 허용하는 모든 셀 누출은 문제가 됩니다. "팩 전체에 산 누출이 광범위하게 발생하면 보증 문제이자 불만 고객이 생기는 일입니다."라고 가스 분석 기기 제조사 Inficon의 자동차 시장 영업 매니저 Thomas Parker는 말했습니다.

오늘날 배터리 팩 누출 감지에 테스트 가스와 관련 장비를 사용하는 것이 일반적이지만, 셀 레벨에서 누출을 찾는 것은 완전히 다른 과제입니다. 현재 EV에 사용되는 배터리 셀은 원통형, 각형, 파우치형 세 가지 주요 유형이 있으며, 파우치 셀이 더 가벼운 무게로 인해 인기를 얻고 있습니다. 진공 가압 파우치 셀은 일반적으로 작업자의 육안 검사를 통해 보관 및 출하 중에 바깥으로 부풀어 올랐는지 확인합니다.

"일주일 만에 파우치가 부풀게 하는 누출이 습기 유입으로 수개월 또는 수년에 걸쳐 발생하는 누출 크기를 반영하지 않는다는 것을 아는 것이 중요합니다."라고 Parker는 SAE의 Automotive Engineering 잡지에 말했습니다. "우리는 육안 테스트가 나타내는 것보다 100만 배 더 작은 누출에 대해 알고 싶습니다."

테스트 기술 솔루션

Inficon은 새로 출시된 ELT3000 기술이 기존 테스트 가스 방식보다 1,000배 더 작은 리튬이온 셀 누출을 감지할 수 있다고 주장합니다. 이 누출 감지 시스템은 진공 챔버, 가스 제어 장치, 가스 감지 장치를 사용합니다. Inficon 엔지니어들이 가스 제어 장치와 가스 감지 장치를 작동시키는 소프트웨어를 작성했습니다.

시스템의 4중극 질량 분석기 사용과 진공 챔버가 가스 감지 장치에 연결되는 방식이 이 테스트 방법의 독창성을 보여줍니다. 회사는 이 솔루션에 대해 등록된 특허를 보유하고 있다고 Inficon의 누출 감지 도구 연구 매니저 Dr. Daniel Wetzig은 언급했습니다.

전해질이 채워진 파우치 셀에 대한 ELT3000 누출 감지 과정에서 테스트 장비는 부드러운 셀 파우치를 보호합니다. "시스템은 유연한 막으로 파우치 셀을 부드럽게 감싸 테스트 중인 샘플이 손상되지 않도록 합니다."라고 Parker는 말했습니다. 유연한 막 표면에는 별도의 경계층 역할을 하는 구조가 포함되어 있습니다. "파우치 셀이 편안하고 안전하기를 바랍니다. 또한 유연한 막이 구멍을 막아 테스트 중에 누출을 가리는 일도 원치 않습니다."라고 그는 설명했습니다.

ELT3000 개발자들에 따르면, 이 시스템은 기존 테스트 절차와 극명한 대조를 이루며 리튬이온 배터리 셀에 대한 매우 정확한 누출 테스트를 제공합니다. "누출 테스트의 주요 이점은 배터리 셀이 이미 전해질 용매로 채워져 있어 테스트 가스가 필요 없다는 것입니다."라고 Wetzig은 언급했습니다. ELT3000은 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 폴리프로필렌(PP) 등 다양한 유형의 전해질 용매를 처리할 수 있습니다. Inficon은 2020년부터 파우치, 각형, 원통형 셀용 배터리 누출 감지 생산 장비를 출시하기 시작했습니다.

현재 비어 있는 하드케이스 각형 또는 원통형 셀의 기존 테스트는 헬륨 테스트 가스를 셀에 채워 진공 챔버에서 셀이 있는 상태에서 누출을 감지하는 방식으로 수행됩니다. 전해질은 '건식' 테스트 후 셀에 주입됩니다. 덜 일반적인 테스트 방법으로는 전해질이 채워진 셀을 진공 챔버에 넣고 가압 하에서 헬륨에 노출시키는 '헬륨 폭격(helium bombing)'이 있습니다. 헬륨 테스트 가스가 진공 챔버로 빠져나올 때 누출이 감지됩니다.

Inficon의 ELT3000 누출 감지 시스템은 독일 쾰른의 회사 연구자들이 뉴욕주 시러큐스에 있는 북미 본사의 센서 기술을 사용하여 개발했습니다. 제품 개발은 30개월에 걸쳐 진행되었습니다. "ELT3000 누출 테스트는 셀 기밀성에 대한 명확한 답을 제공하므로 배터리 수명에 대해서도 알 수 있습니다."라고 Wetzig은 말했습니다.