배터리 시험 솔루션
배터리 셀, 모듈 및 팩을 위한 솔루션
전기차, 가전제품, 에너지 저장 및 산업용 응용 분야에서 고급 배터리에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 배터리 제조업체는 안전성, 성능, 신뢰성 및 생산 효율성에 대한 요구가 높아지고 있습니다. Instron은 배터리 재료, 부품, 셀, 모듈, 팩 및 완제품에 대한 시험 솔루션을 제공합니다. 당사의 시스템은 가전제품 및 웨어러블 기기부터 전기차 및 고정형 에너지 저장 장치에 이르는 다양한 응용 분야를 지원합니다.
재료 시험 업계의 글로벌 리더인 Instron은 현지 언어로 신속하게 대응할 수 있는 현지 지원을 통해 전 세계 배터리 시험 연구소의 요구 사항을 수용할 수 있는 독보적인 위치에 있으며, 설치, 교정, 교육, 현장 장비 업그레이드 및 가동 중지 시간을 최소화하기 위한 모든 서비스 요구 사항을 포함한 전체 서비스 제품군을 제공합니다.
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배터리는 철저한 시험이 필요한 다양한 재료, 접착제, 용접 및 부품 구조로 구성됩니다. 배터리 시험을 위한 광범위한 표준 그립 및 치구 외에도, Instron은 배터리 재료 및 부품 시험의 효율성과 반복성을 개선하기 위해 특별히 설계된 맞춤형 치구를 개발했습니다. 당사의 엔지니어링 솔루션 그룹(Engineered Solutions Group)은 특정 요구 사항에 맞는 배터리 치구 설계에 대해 신속한 처리를 지원할 수 있습니다.
분리막은 리튬 이온 배터리뿐만 아니라 다른 액체 전해질 배터리의 핵심 부품입니다. 이러한 필름에 사용되는 폴리머는 조립 중 권취 작업뿐만 아니라 과도한 사용으로 인해 양극에 리튬이 불균일하게 도금되는 현상을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 합니다. 더 안전하고 강한 분리막 재료는 양극과 음극 사이의 접촉을 더 효과적으로 방지하며, 더 얇은 재료는 각 배터리의 무게를 줄이고 에너지 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다.
분리막의 천공 시험은 배터리 수명 주기 전반에 걸쳐 각 셀의 안전성과 수명을 보장하는 데 매우 중요합니다. 필름은 과도한 사용으로 형성되는 덴드라이트로 인한 천공을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 합니다. 이 응용 분야에서는 적절한 시편의 팽팽함과 상부 프로브의 정렬을 보장하는 것이 중요합니다. 시험은 EN 14477 및 ASTM F1306과 유사합니다.
EN 14477, ASTM F1306 등을 충족하기 위해 수동 및 공압 구동 천공 치구를 모두 사용할 수 있습니다. 공압식 치구는 반복 가능한 클램핑력과 더 높은 처리량을 보장합니다. 기존 시스템으로의 통합은 공압 그립을 설치하는 것만큼 간단합니다.
인장 시험은 분리막이 제조 및 배터리 수명 전반에 걸친 모든 기계적 작업을 견딜 수 있는지 확인하는 데 사용됩니다. 최상의 반복성과 처리량을 확보하고 시험 전 시편의 손상을 방지하려면 적절한 시편 정렬, 삽입 및 그립 작동을 보장해야 합니다. 인체공학적 설계와 안전성을 개선하는 동시에 시험 결과의 변동성을 줄이기 위해 정밀 시편 로더(Precision Specimen Loader)를 사용할 것을 권장합니다. 시험은 ASTM D882 및 ISO 527-3과 유사합니다.
단단한 권취는 분리막과 전극 코팅 사이에 기계적 하중을 발생시키며, 두 표면 사이의 마찰 계수를 이해하는 것이 중요합니다. 마찰 계수를 더 잘 이해하면 생산 시 적절한 권취 공정이 이루어지도록 보장할 수 있습니다. 이 시험의 지침으로 ISO 8295 및 ASTM D1894-14를 사용하는 것이 일반적입니다.
분리막의 재료 선택은 배터리 무결성에 필수적입니다. 기계적 성능 문제는 내부 단락의 가능성을 높여 열 폭주로 이어질 수 있기 때문입니다. 충격 이벤트에 대한 천공 저항을 시험하는 것은 두께와 무게를 줄이는 추가 목표와 함께 최고의 성능을 가진 재료를 선택하는 데 매우 중요합니다.
Instron의 자동화 시스템은 배터리 시험에 새로운 수준의 생산성을 도입합니다. 배터리 생산량이 계속 증가함에 따라 수요를 따라잡기 위해서는 처리량과 효율성이 매우 중요합니다. 각 응용 분야에 권장되는 장비와 함께 자동화 시스템을 활용하면 최적의 결과를 유지하면서 작업자의 부담을 줄이고 처리량을 극대화할 수 있습니다.
배터리에서 가장 흔한 고장 모드 중 하나는 전극 재료의 코팅이 균열되거나 집전체에서 박리될 때 발생합니다. 이러한 균열 또는 박리는 일반적으로 배터리의 지속적인 충전 및 방전뿐만 아니라 사용 중의 기계적 하중으로 인해 발생합니다. 배터리가 예측된 수명 주기 종료 전에 고장 나지 않도록 전극 접착 강도와 수명을 이해하는 것이 중요합니다.
180° 박리 시험은 집전체에 대한 전극의 접착 강도를 결정하는 데 일반적으로 사용되는 방법입니다. 박리 설정의 기계적 이점과 정렬의 용이성 덕분에 이 시험은 저용량 그립과 로드셀을 사용하여 수행할 수 있습니다. 높은 처리량과 각 시험 전반에 걸쳐 적절한 180° 박리를 보장하기 위해 공압식 그립과 금속 기판의 사용을 고려하는 것이 가장 좋습니다.
90° 박리 시험은 배터리의 전극 접착력을 시험하는 또 다른 일반적인 방법입니다. 90° 박리 시험은 일반적으로 180° 박리 시험보다 약간 더 높은 하중을 수반하며, 기판이 필요하지 않은 경우가 많아 더 빠르게 설정할 수 있습니다. 이 시험을 위한 Instron의 가장 일반적인 솔루션은 표준 90° 박리 치구 또는 전극 접착력을 시험하기 위해 특별히 설계된 공압식 박리 치구입니다. 공압식 90° 박리 치구는 반복성과 처리량을 개선하는 동시에 작업자가 90°에서 일관된 시편 배치 및 정렬을 할 수 있도록 돕습니다. 상부 치구의 경우, 공압식 그립이 처리량과 반복성을 최적화하며 섬세한 재료 시험에 권장됩니다.
택 시험은 배터리 집전체에 대한 전극의 접착력을 시험하는 추가적인 방법으로 연구자들의 지지를 받아왔습니다. 전극을 집전체에서 천천히 떼어내는 대신, 택 시험은 미리 정해진 전체 영역의 전극 접착 강도에 집중합니다. 매우 빠른 데이터 수집 속도와 Instron의 택 시험 치구를 결합하여 최상의 결과와 처리량을 보장합니다.
알루미늄 및 구리 박은 배터리의 집전체로 사용되며, 전통적으로 대량으로 필요합니다. 업계가 각 배터리의 최적 에너지 밀도를 달성하기 위해 최소한의 재료를 사용하려고 노력함에 따라, 배터리의 안전성과 수명을 보장하기 위해 각 박의 기계적 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 박이 더 길고, 얇고, 넓어짐에 따라 그에 수반될 수 있는 주름 및 찢어짐 문제를 해결하기 위해 개선된 기술이 필요합니다. 이 재료의 기계적 특성을 검증하고 유지하는 것은 배터리 생산을 최적화하는 데 매우 중요합니다.
표준 인장 시험은 알루미늄 및 구리 박 시편의 기계적 특성을 결정하는 가장 적절한 방법입니다. 공압식 사이드 액션 그립은 이러한 대량 생산 재료에 대해 빠른 처리량과 일정한 압력을 제공하며, 얇은 박은 그립 내의 미세한 오정렬에 영향을 받을 수 있으므로 반복성과 시험 전 시편 보호를 위해 적절한 시편 정렬이 중요합니다. 인체공학적 설계와 안전성을 개선하는 동시에 시험 결과의 변동성을 줄이기 위해 정밀 시편 로더(Precision Specimen Loader)를 사용할 것을 권장합니다. 이 시험의 지침으로 ASTM E345-16을 사용하는 것이 일반적입니다.
배터리 생산량이 계속 증가하고 재료가 얇아짐에 따라 수요를 따라잡기 위해서는 처리량과 효율성이 매우 중요합니다. 권장 장비와 함께 자동화 시스템을 활용하면 더 얇고, 넓고, 긴 박 시편에 대한 수요를 충족할 수 있을 뿐만 아니라 최적의 결과를 유지하면서 작업자의 부담을 줄이고 처리량을 극대화할 수 있습니다.
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리튬 이온 및 기타 액체 전해질 배터리는 전극, 탭, 케이싱 및 셀 사이에 수많은 용접이 필요합니다. 각 용접의 가장 일반적인 고장 모드와 강도를 이해하는 것은 배터리 수명을 결정하는 데 매우 중요합니다. 각 용접은 차량이나 장치 내부에 있음으로써 발생하는 기계적 하중을 견뎌야 하며, 이는 시간이 지남에 따라 용접부에 마모를 일으킬 수 있습니다. 배터리 구동 제품은 진동, 취급, 운송 및 작동 하중에 노출되므로 용접 설계 및 품질 검증 시 이를 고려해야 합니다.
원통형 셀은 조립 중에 캡에 대한 양극 탭, 캔 바닥에 대한 음극 탭, 심지어 개별 탭 간 용접을 포함하여 여러 번의 용접이 필요합니다. 이 모든 과정에서 높은 처리량과 반복 가능한 결과를 위해 적절한 정렬 및 그립 솔루션이 필요합니다.
각형 셀 용접의 대부분은 각 집전체에 대한 양극/음극 탭 사이뿐만 아니라 버스바(busbar) 또는 캔 자체 내에서 이루어집니다. 모든 위치에서 고장이 발생할 수 있으므로 일관성과 내구성을 확인해야 합니다.
파우치 셀은 함께 용접된 양극 또는 음극 탭뿐만 아니라 셀 단자에 용접된 탭을 가지고 있습니다. 또한 파우치 셀에는 시험이 필요한 버스바 용접이 있습니다. 다양한 크기에 대한 다목적 솔루션과 함께 적절한 치구 및 시편 정렬이 중요합니다.
배터리 산업에 점점 더 많은 부품과 재료가 도입됨에 따라 각 설계의 품질, 강도, 안전성 및 수명을 위해 시험해야 할 수많은 다른 특성들이 있습니다.
충전 및 방전 중 배터리의 팽창은 시험해야 할 중요한 특성입니다. 일부 셀은 사이클링 중에 팽창과 수축이 최소화되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 각형 및 파우치 셀은 상당한 팽창과 수축을 보이는 것으로 알려져 있으며, 각 셀의 적절한 사용과 안전을 보장하기 위해 이를 특성화해야 합니다.
Instron의 광범위한 압축판은 표준 또는 고정밀 변위 센서와 결합하여 하중 하에서의 폼 재료 거동을 완전히 특성화하는 데 사용될 수 있습니다. 사용자는 여러 크기와 모양으로 제공되는 압축판 세트를 사용하여 정적 또는 동적 압축 시험을 수행하고 하중 및 국부 변위 데이터를 동기식으로 획득하여 배터리 셀, 모듈, 팩 및 전자 기기 어셈블리에 사용되는 폼 및 젤을 시험할 수 있습니다.
또한 하부 압축 앤빌에 가열판을 추가하여 압축 표면의 온도를 제어할 수 있습니다. 폐루프 컨트롤러를 사용하여 플레이트의 온도를 제어하고 실제 온도 판독값을 시험 소프트웨어로 출력합니다.
Instron 사용자는 수동 및 공압 그립 중에서 선택하여 팩 및 모듈 어셈블리에 사용되는 접착제 및 용접의 결합 강도를 특성화하는 데 필요한 중요한 겹치기 전단 시험을 수행할 수 있습니다. 바코드 또는 측정된 치수의 겹치기 전단 시편 정보를 기반으로 그립을 측면으로 정렬하는 전문적인 자동화 솔루션도 제공될 수 있습니다.
재료, 셀, 모듈 및 팩은 모두 변화하는 환경 조건에서 다르게 작동할 수 있습니다. Instron 시험 프레임에 통합된 환경 챔버를 통해 사용자는 시험 공간 환경을 모니터링하고 제어하면서 하중 하에서 시편을 시험할 수 있습니다.
만능 재료 시험기
만능 재료 시험기에는 강도 및 정적 특성의 기본 시험을 수행하기 위한 광범위한 액세서리를 장착할 수 있습니다. 이는 저속(1 - 600 mm/min)에서의 단조 시험에 이상적적입니다.
충격 시험 시스템
낙하 시험기(Drop Tower) 시스템은 중속 내지 고속(일반적으로 천공 또는 점 압입)에서 충격 하중을 가하고 측정하는 데 사용됩니다. 단일 타격 시험은 입사 속도 및 에너지(1-24m/s 및 최대 1800J) 측면에서 제어됩니다.
피로 시험 시스템
저용량 내지 중용량의 하중이 필요한 시험에 사용되는 이 장비는 최대 100Hz(1m/s 이상의 과도 운동 또는 40G 가속도)에서 피로 및 반복 하중 시험이 가능하며, 정적 시험에도 배치될 수 있습니다.
서보 유압식 고속 시험 시스템
이 고도로 전문화된 시험 시스템은 높은 하중에서 최대 25m/s의 속도로 시험할 수 있으며 충돌 조건에서의 재료 특성을 결정하는 데 일반적으로 사용됩니다. 천공 및 압착 시험에도 사용할 수 있습니다.
HDT Vicat
시험 시스템
이 시험 장비는 고온에서 플라스틱 재료의 거동을 특성화하여 열변형 온도(HDT) 및 비카트(Vicat) 연화 온도를 측정하는 데 사용됩니다.
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자동화
시험 시스템
시험 장비는 자동 시편 측정 장치부터 완전 로봇 시스템에 이르기까지 점점 더 자동화되고 있으며, 배터리 산업 전반의 연구소가 늘어나는 시험 물량을 더 효율적으로 처리할 수 있도록 돕고 있습니다.