리튬 이온 배터리 안전성 테스트: 압착, 충격, 단락 등

리튬 이온 전지는 적은 부피에 많은 에너지를 저장합니다. 이것이 리튬 이온 전지를 유용하게 만드는 이유이지만, 결함, 오용 조건 또는 안전 장치 고장으로 인해 에너지가 빠르게 방출될 수 있다는 것을 의미하기도 합니다. 잘 알려진 배터리 사고는 화재 및 폭발을 가장 눈에 띄는 결과로 만들었습니다. 하지만 실험실에서는 이 중 하나가 발생하기 훨씬 전에 유용한 안전성 테스트가 시작됩니다.

압착, 충격, 외부 단락, 과충전, 관통 및 온도 테스트는 각기 다른 질문에 답하기 위해 고안되었습니다. 이 테스트들은 보편적인 절차를 공유하지 않으며, 한 테스트를 통과한 전지가 모든 제품이나 응용 분야에 자동으로 "안전하다"고 할 수는 없습니다.

중요: 파괴적인 배터리 테스트는 화재, 발사체, 부식성 전해액, 독성 또는 가연성 가스를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 테스트는 원격 작동, 격리, 환기, 모니터링 및 비상 절차를 갖춘 특수 시설에서 자격을 갖춘 인력만 수행해야 합니다.

테스트 매개변수를 선택하기 전에 표준을 선택하세요

13 kN의 압착력, 9.1 kg의 충격 질량, 특정 단락 저항 또는 지정된 관찰 시간과 같은 값은 정의된 테스트 방법에서 비롯됩니다. 표준, 버전, 샘플 유형, 전지 형상, 충전 상태 및 의도된 시장을 확인하지 않고 실험실 절차에 복사해서는 안 됩니다.

몇 가지 일반적인 시작점은 다음과 같습니다.

• 운송용으로 제공되는 리튬 전지 및 배터리에 대한 UN 38.3. 이는 해당되는 경우 고도 시뮬레이션, 열 테스트, 진동, 충격, 외부 단락, 충격 또는 압착, 과충전 및 강제 방전을 포함합니다.
• 의도된 사용 및 합리적으로 예측 가능한 오용 하의 휴대용 밀폐형 2차 리튬 전지 및 배터리에 대한 IEC 62133-2.
• 많은 고정형 시스템을 포함한 산업용 응용 분야에서 사용되는 2차 리튬 전지 및 배터리에 대한 IEC 62619.
• 전기 자동차 추진에 사용되는 리튬 이온 전지 및 전지 블록의 신뢰성 및 오용 동작에 대한 IEC 62660-2.
• 전기 및 하이브리드 차량 충전식 에너지 저장 시스템에 대한 오용 테스트 가이드로서 SAE J2464. SAE는 J2464 자체는 합격/불합격 기준을 설정하지 않는다고 언급합니다.

이것은 완전한 인증 지도가 아닙니다. UL 표준, 국가 규정, 차량 규정, 고객 사양 및 시스템 수준 표준도 적용될 수 있습니다. 테스트 계획을 확정하기 전에 공인 실험실 또는 인증 기관에 최신 버전을 확인하십시오.

열 폭주가 실제로 의미하는 것

열 폭주는 자체적으로 가속되는 온도 상승입니다. 전지 내부에서 생성된 열은 발열 반응을 유발하고, 이 반응은 더 많은 열을 생성하여 추가 반응을 가속화합니다. 화학 및 설계에 따라 순서는 고체 전해질 계면 변화, 전극과 전해질 간의 반응, 분리막 손상, 가스 발생, 배출 및 연소를 포함할 수 있습니다.

시작 이벤트는 전기적, 열적, 기계적 또는 내부적일 수 있습니다. 과충전, 외부 가열, 압착, 관통, 외부 단락, 오염, 포일 버(foil burr), 분리막 손상 및 리튬 도금은 문제로 이어지는 다른 경로입니다. 리튬 이온 내부 단락에 대한 당사의 가이드는 초기 누설과 경성 단락이 동일한 이벤트로 취급되어서는 안 되는 이유를 설명합니다.

6가지 안전 테스트 유형과 그들이 밝히는 것

1. 압착 및 충격

기계적 오용 테스트는 전지의 외함 및 내부 층이 변형될 때 전지가 어떻게 반응하는지 묻습니다. 이 테스트는 분리막 손상, 전극 접촉, 전류 수집기 손상, 누설, 배출 또는 열 폭주를 밝혀낼 수 있습니다.

잘 알려진 13 kN 값은 특정 압착 절차, 특히 지정된 형상에 대한 전지 수준 UN T.6 방법과 관련이 있습니다. 모든 전지, 모듈 또는 팩에 대한 보편적인 힘은 아닙니다. UN 38.3에서 충격 및 압착 적용 가능성은 전지 형상 및 직경에 따라 달라집니다. 방향, 평판 또는 바 형상, 정지 조건, 샘플 이력 및 관찰 기간은 이 방법의 일부입니다.

좋은 보고서는 전압, 표면 온도, 고정 장치 방향 및 동기화된 비디오와 함께 힘과 변위를 기록합니다. "화재 없음"만으로는 내부 전기 경로가 언제 형성되었는지 또는 구조가 어떻게 실패했는지 설명하지 못합니다.

2. 과충전

과충전 테스트는 의도된 제어 범위를 넘어 충전할 때의 반응을 평가합니다. 잠재적 결과에는 리튬 도금, 전해질 산화, 가스 발생, 압력 상승, 보호 장치 활성화, 배출 및 열 폭주가 포함됩니다.

모든 전지를 3C로 10V까지 충전하라는 일반적으로 유효한 지침은 없습니다. 충전 전류, 전압 제한, 지속 시간, 컨디셔닝, 샘플 수준 및 허용 기준은 표준 및 배터리 설계에 따라 다릅니다. 테스트 설정은 또한 전원 공급 장치의 에너지, 케이블 및 접촉 저항, 전지 보호 장치 및 원격 격리를 고려해야 합니다.

3. 외부 단락

외부 단락은 전지 또는 배터리 외부의 낮은 저항 경로를 통해 전류를 강제적으로 흐르게 합니다. 반응은 충전 상태, 내부 저항, 온도, 상호 연결, 보호 장치, 테스트 회로의 저항 및 인덕턴스에 의해 형성됩니다.

구체적인 한 가지 예로, 현재 UN 38.3 T.5 운송 방법은 지정된 고온에서 샘플을 컨디셔닝하고 0.1옴 미만의 총 외부 저항을 적용합니다. 자세한 온도, 지속 시간 및 허용 기준은 해당 특정 방법에 속합니다. 50 밀리옴 및 140도 C 제한이라는 포괄적인 규칙을 보편적인 것으로 제시해서는 안 됩니다.

충분한 해상도로 전류 및 전압을 기록하고, 정의된 위치에서 표면 온도를 측정하고, 전류 차단 장치, 퓨즈, 접촉기 또는 보호 회로가 작동했는지 문서화하십시오. 단자 전압이 떨어지는 것만으로는 내부 고장 모드를 자체적으로 식별하지 못합니다.

4. 못 관통 및 기타 국부적 침입 테스트

관통은 매우 국부적인 기계적 및 전기적 손상을 유발합니다. 연구원들은 이를 사용하여 심각한 침입 하에서의 열 반응, 전파 동작 또는 설계 견고성을 비교합니다. 결과는 관통 위치, 방향, 속도, 도구 형상, 전지 충전 상태 및 열 경계 조건에 따라 상당히 달라질 수 있습니다.

못 관통은 모든 주요 전지 인증 표준에서 보편적인 요구 사항은 아닙니다. 이를 "3mm 바늘을 사용하고 화재 여부를 확인"하는 것으로 축소해서는 안 됩니다. 해당 표준 또는 신중하게 정당화된 개발 프로토콜에서 요구하는 방법을 사용하고, 테스트가 나타내는 것과 나타내지 않는 것을 명확히 명시하십시오.

5. 온도 사이클링 및 열 노출

온도 사이클링은 반복적인 고온 및 저온 노출이 밀봉, 인터페이스, 절연, 치수 및 전기적 동작에 미치는 영향을 조사합니다. 이는 특히 운송, 저장 및 환경 간을 이동하는 제품과 관련이 있습니다.

온도 범위, 체류 시간, 전환 시간, 사이클 수, 충전 상태 및 테스트 후 관찰은 방법에 따라 다릅니다. 테스트 후 점검에는 화재 및 폭발뿐만 아니라 누설, 질량 변화, 개방 회로 전압, 절연 저항, 변형 또는 기능 성능이 포함될 수 있습니다.

6. 내부 단락 및 전파 테스트

일부 프로그램은 제어된 내부 단락 개시 장치, 강제 내부 단락 방법, 히터 또는 기타 트리거를 사용하여 전지 반응 및 전지 간 전파를 연구합니다. 이러한 방법은 외부 단락, 압착 또는 못 테스트가 충실하게 재현하지 못할 수 있는 질문을 다룹니다. 트리거는 조사되는 고장 시나리오와 일치하도록 선택해야 합니다.

안전성 테스트 중 무엇을 측정해야 하나요?

신뢰할 수 있는 테스트 기록은 일반적으로 최종 시각적 결과 이상을 포함합니다.

• 샘플 식별, 구성, 질량, 치수, 충전 상태, 사용 기간 및 컨디셔닝 이력;
• 정확한 표준, 버전, 편차, 고정 장치, 방향 및 테스트 장비 교정;
• 해당되는 경우 전압, 전류, 표면 온도, 힘, 변위, 압력 또는 가스 데이터;
• 시간 동기화된 가시 및 열 영상;
• 배출, 누설, 파열, 화재, 방출된 물질, 보호 장치 활성화 및 관찰 시간;
• 테스트 후 전기적 상태 및 적절한 경우 제어된 분해 또는 이미징 계획.

합격/불합격 문구는 테스트 후 즉흥적으로 만들어진 것이 아니라 해당 요구 사항에서 복사해야 합니다. 일부 방법은 정의된 관찰 기간 동안 온도 제한 및 화재, 파열 또는 분해를 금지합니다. 다른 방법은 합격/불합격 임계값을 설정하는 대신 반응의 심각도를 분류합니다.

안전은 여러 층으로 이루어져 있습니다

테스트가 배터리를 더 안전하게 만드는 것은 아닙니다. 테스트는 설계가 어떻게 반응하는지, 그리고 제어가 어디에서 약할 수 있는지를 보여줍니다. 개선은 일반적으로 여러 층에 걸쳐 이루어집니다.

전해질 및 계면 설계: 첨가제, 염 및 용매 선택, 형성 조건 및 계면 제어는 안정성을 향상시킬 수 있지만, 모든 변경 사항은 호환성, 노화, 가스 발생 및 저온 동작에 대해서도 확인해야 합니다.

전극 및 분리막 설계: 음극 코팅, 안정적인 활성 물질, 제어된 양극 로딩, 분리막 선택, 세라믹 코팅 및 셧다운 동작은 위험을 줄일 수 있습니다. 깨끗한 절단, 정확한 정렬 및 버(burr) 및 입자 제어는 여전히 필수적입니다. 실제 위험은 코인 셀 조립 실수에 대한 당사의 기사에서 논의됩니다.

전지 하드웨어: 벤트, 전류 차단 장치, PTC(Positive Temperature Coefficient) 요소, 퓨즈, 절연 및 견고한 밀봉은 비정상적인 조건에서 압력, 전류 또는 열을 제한할 수 있습니다. 이들의 동작은 전체 설계의 일부로 검증되어야 합니다.

배터리 관리 및 시스템 보호: 전압, 전류 및 온도 모니터링; 충전 및 방전 제한; 접촉기; 퓨징; 열 관리; 절연 모니터링; 및 전파 장벽이 함께 작동합니다. BMS는 내부 결함을 수리할 수 없으므로 시스템 설계는 감지 한계 및 결함 억제도 고려해야 합니다.

맥락에서 결과를 읽으십시오

배터리는 운송 요구 사항을 충족하더라도 휴대용 전자 제품, 산업용 저장 장치 또는 차량 사용을 위한 추가 테스트가 필요할 수 있습니다. 한 오용 테스트에서는 화재를 피하더라도 다른 테스트에서는 과도한 누설, 위험한 배출, 절연 고장 또는 허용할 수 없는 온도 상승을 보일 수 있습니다.

최고의 테스트 계획은 제품 및 고장 분석으로 시작하고, 해당 표준 및 시장을 식별한 다음, 샘플, 컨디셔닝, 계측, 허용 기준 및 후속 조치를 정의합니다. 이는 테스트 번호 목록을 복사하는 것보다 느리지만, 엔지니어, 고객 및 인증 기관이 실제로 사용할 수 있는 증거를 생성합니다.

표준 및 추가 자료

• 유럽 경제 위원회(UNECE): UN 테스트 및 기준 매뉴얼, 개정 8판 및 개정 1
• IEC 62133-2: 휴대용 2차 리튬 전지 및 배터리
• IEC 62619: 산업용 2차 리튬 전지 및 배터리
• IEC 62660-2: 전기 자동차 전지 신뢰성 및 오용 테스트
• SAE J2464: RESS 안전성 및 오용 테스트
• UL Solutions: 대형 리튬 이온 배터리 시스템 안전 지침

이 기사는 엔지니어링 개요이며, 전체 표준, 공인 테스트 실험실 또는 제품별 안전성 평가를 대체하는 것은 아닙니다.