초음파로 숨겨진 배터리 결함 드러내다: 새로운 진단 도구

드렉셀 대학교, 배터리 내부 전기화학·기계적 기능 모니터링 위한 초음파 표준 테스트 공정 개발

최근 배터리 관련 화재 증가로 육안으로 거의 보이지 않는 치명적 오작동을 유발할 수 있는 결함 식별의 어려움이 주목받고 있습니다. 배터리 과열과 발화를 유발할 수 있는 위험한 결함을 예방하기 위해 드렉셀 대학교 연구자들이 제조업체에게 배터리 내부 작동을 더 잘 들여다볼 수 있는 표준 테스트 공정을 개발했습니다.

초음파 기반 배터리 진단 방법

Electrochimica Acta 저널에 최근 게재된 논문에서 연구그룹은 배터리의 전기화학적 및 기계적 기능을 모니터링하기 위해 초음파를 사용하는 방법을 제시했습니다. 이는 과열과 심지어 '열폭주(thermal runaway)'로 이어질 수 있는 손상이나 결함을 즉시 드러낼 것입니다.

"리튬이온 배터리는 거의 반세기 동안 연구되고 30년 이상 상용화되었지만, 우리는 최근에야 고해상도로 내부를 볼 수 있는 도구를 개발했습니다."라고 드렉셀 공과대학 배터리 역학 연구실 수석연구원 겸 조교수 웨스 창(Wes Chang) 박사는 말했습니다. "특히 초음파는 지질물리학과 생물의학 같은 다른 분야에서 배터리 진단을 위해 지난 10년간만 적응되었습니다. 배터리 및 전기차 산업에서 매우 새로운 기술이기 때문에 배터리 엔지니어들에게 어떻게 작동하고 왜 유용한지 가르칠 필요가 있습니다."

저비용 벤치탑 초음파 도구 개발

팀의 최근 작업은 배터리 엔지니어들이 쉽게 구현하고 사용할 수 있는 저비용, 접근 가능한 벤치탑 초음파 도구를 시연함으로써 이를 위해 노력합니다. 이는 EV를 생산하는 자동차 회사에서 일하는 엔지니어들도 포함합니다.

테크 브리프 독점 인터뷰: 웨스 창 박사

가장 큰 기술적 과제는?

"우리는 배터리 진단을 위한 새로운 기술을 개발해왔고, 그것은 음파 기반입니다. 그래서 생물의학 분야에서 일반적으로 사용되는 초음파를 배터리 노화 연구용으로 적응시키고 있습니다. 질문에 대한 답으로, 이것은 새로운 방법을 개발할 때 항상 문제입니다: 배터리 과학자들은 보통 화학자나 재료 과학자이지 기계 엔지니어는 아닙니다. 초음파는 생물의학과 지질물리학에서 흔히 사용되며, 정말 기계적 프로브입니다. 그래서 저에게 가장 큰 과제는 기계 설계와 신호 처리 전문성을 가진 사람들이 있는 팀을 구성하고, 그런 기술들을 활용해 배터리 화학을 측정할 수 있는 무언가를 만들려는 것이었습니다. 매우 학제간적인 노력입니다.

결국 탄성 계수와 밀도를 측정하는 도구를 얻게 되는데, 이는 배터리 노화와 성능과 상관관계가 있습니다. 과제는 이 기술을 배터리 과학자들이 사용자 친화적이고 이해하기 쉽게 만드는 것이었습니다."

향후 연구 계획

"우리는 향후 작업에 대한 구체적 계획이 있습니다. 현재 방법은 1D 또는 2D 기술입니다. 1D는 배터리 중앙을 스캔할 때를 말합니다. 음파를 배터리 중앙으로 보내고, 배터리를 사이클링하면서 그 음파 모양이 변합니다. 모양이 변하는 방식이 탄성 계수와 밀도 변화와 상관관계가 있습니다.

전극을 스캔해 2D로도 같은 것을 할 수 있고, 그러면 배터리 이미지를 얻습니다. 그래서 언제뿐만 아니라 어디에서 무언가 일어나는지 알 수 있습니다. 3D는 배터리 스캔뿐만 아니라 층별 해상도도 얻는 능력을 말합니다. 이는 기하학을 의미합니다.

배터리는 밖에서 보면 꽤 단순해 보입니다. 파우치나 실린더 같죠. 하지만 안에는 여러 전극 층이 쌓여 있습니다. 2D에서 변화를 보면 보통 어떤 영역에 기인한다고 봅니다. 하지만 질문은, 그것이 결함인가 가능한 고장 모드인가입니다. 모든 전극을 통해 일어나는가 아니면 한 특정 전극에서 일어나는가? 그것이 3D가 파고드는 것입니다. 그 파형을 개별 구성요소(각 층과의 상호작용)로 분해하는 방법을 알아내야 하므로 꽤 어렵습니다.

그래서 다음 단계로 우리는 각 층의 효과로 파형을 분해할 수 있는 더 나은 알고리즘을 구축하고 있습니다. 그것이 우리를 3D 해상도로 이끌 것입니다. 우리는 그것이 가능하다고 생각합니다. 왜냐하면 이것은 이미 X선이 가진 능력이기 때문입니다. 그리고 어떤 경우 생물의학에서 3D 버전을 얻는 데 성공했습니다. 그것은 확실히 초음파 기술의 최전선에 있지만, 우리가 가고 싶은 곳입니다."

추가 강조사항

"초음파가 배터리에 사용된 것은 제가 박사과정생이었을 때도 있었습니다. 제 옛 연구실에서 개발했었죠. 그래서 여기에서의 강조점은 비교적 새로운 도구를 배터리 과학자들이 쉽게 사용하게 만드는 것입니다. 그리고 주요 결과가 기본적으로 배터리 스타트업 SES AI의 R&D 현장에서 이 플랫폼을 구축했고, 그들의 엔지니어 중 한 명을 매일 사용할 수 있도록 훈련시켰다는 점을 강조하고 싶습니다. 저에게 그것은 우리 작업의 가장 결실 맺고 동기부여가 되는 측면입니다. 산업 현장에서 직접 번역되어 사용되는 것을 보는 것. SES에만 국한되지 않고, 다른 스타트업들과 이미 초음파 도구를 가지고 있거나 구하려는 몇몇 대형 자동차 제조 회사들과도 이야기하고 있습니다. 그들이 도구를 더 잘 이해하고 어떤 R&D 랩과 산업에도 배터리용 플러그앤플레이 기능처럼 만들 수 있도록 돕고 있습니다."