대량 생산 중인 리튬 이온 셀의 고속 누설 테스트

최신 트랙션 배터리의 작동 신뢰성과 내구성을 위해서는 가장 작은 구성 요소인 리튬 이온 셀의 누설 방지가 중요합니다. 모든 셀의 하우징은 생산 단계에서 누설 테스트를 받아야 합니다. 물이 전해질과 반응하여 부식성 플루오르화수소산을 형성할 수 있으므로 인화성 전해액이 새어 나가거나 대기 중의 수분이 셀에 침투해서는 안 됩니다. 또한 새는 전지는 트랙션 배터리의 용량과 수명을 단축시킵니다. 생산 중에는 신중한 누설 테스트가 품질 보증을 위해 필수적입니다.

INFICON의 ELT3000 PLUS 배터리 누설 감지기는 셀에서 진공 테스트 챔버로 누설되는 전해질 용매를 직접 감지합니다. 이것은 압력 테스트 또는 헬륨 Bombing과 같은 이전 방법보다 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다. INFICON은 ELT3000 PLUS 이 자동화 생산 라인의 품질 보증과 마찬가지로 개발 부서의 수동 워크스테이션에서 사용하기에 적합하도록 설계했습니다. ELT3000 PLUS 은 시리즈 생산에서 중요한 요소인 속도에 대한 요구를 충족합니다.

사이클 타임을 줄이기 위한 조치에는 다음이 포함됩니다.

• 진공 챔버에서 가능한 가장 작은 데드볼륨(dead volume)
• 대피 및 최종 환기를 위한 추가 밸브와 함께 특히 강력한 외부 진공 펌프 사용
• 실제 테스트 사이클 이전에도 전해액 잔여물로부터 셀 클리닝

1리터의 테스트 챔버(테스트 챔버의 볼륨 - 테스트 표본의 볼륨)에서 ELT3000 PLUS 의 일반적인 사전 설정 측정 사이클은 셀 표면의 전해액 잔류물로부터 셀을 5초 동안 클리닝, 32초 동안 진공 챔버 압력 약 5mbar (abs.) 까지 배출, 6초 기밀 측정 및 4초 진공 챔버 벤트 구성로 총 47초로 구성됩니다. 여기에 챔버에서 테스트 시편을 로드 및 언로드하는 프로세스 시간이 추가됩니다. 반면에 분당 100리터 용량의 외부 펌프가 동일한 테스트 챔버에 사용되는 경우, 예를 들어 배출 시간이 32초에서 12초로 단축됩니다. 사전 세척된 시편( 예 : 레이저 세척)의 경우 추가 세척 시간 5초를 생략할 수 있으므로 측정 주기가 47초에서 22초로 크게 단축됩니다.

단일 ELT3000 PLUS 으로 충진된 셀의 누설 테스트 처리량을 증가시키기 위한 두 번째의 매우 효과적인 옵션은 여러 테스트 챔버를 병렬로 사용하는 것입니다. 현재 한 챔버에서 측정이 진행되는 동안 두 번째 테스트 챔버는 제품 로딩이 되고, 세 번째(챔버의 크기와 배출 시간에 따라 네 번째도 가능) 챔버는 배기가 진행될 수 있습니다. ELT3000은 거의 전적으로 측정 모드에 있으므로 배기(evacuation)에 필요한 시간이 절약되고 처리량이 크게 증가합니다.

그러나 자세히 살펴보면 누설 테스트의 경우 처리량이 종종 순수한 사이클 시간보다 훨씬 더 중요한 변수임을 알 수 있습니다. 테스트 중 처리량은 배치 테스트 접근 방식으로 결정적으로 줄일 수 있습니다.

21700 타입의 16개 원형 셀 배치가 시스템에서 외부 진공 펌프와 필수 용매로 DMC를 사용하여 테스트된다고 가정해 보겠습니다. 사이클 시간이 22초인 경우 각 셀에 대한 테스트 시간은 1.4초입니다. 배치가 64개의 원형 셀로 확대되면 0.3초마다 하나의 셀을 테스트합니다. 배치 테스트에서 누설이 발견되면 수동 테스트 스테이션에서 누설 셀을 식별해야 합니다. 이를 위해 누설 셀이 포함되지 않은 배치는 추가 테스트를 진행하지 않도록 배치 크기를 여러 번 반으로 줄입니다. 따라서 반복적인 방식으로 크기가 1인 배치, 즉 결함이 있는 셀을 포함하는 배치에 접근합니다. 원래 배치에 16개의 셀이 있는 경우 이 원칙은 4개의 추가 테스트 단계로 이어집니다. 64개의 셀로 분리에는 6단계가 필요합니다.

이러한 배경에서 어떤 배치 크기가 특정 애플리케이션에 적합한지는 최적화와 관련된 문제입니다. 라인 생산에서 품질 보증을 위한 이상적인 배치는 개별적으로만 결정될 수 있습니다. 예를 들어 일반적인 셀 결함률이 생산의 0.5%라고 가정해 보겠습니다. 배치 크기가 16이면 약 20,900개의 셀을 22초의 사이클 시간으로 한 시프트에 검사할 수 있습니다. 그러나 여기에는 평균 105개 누설 셀이 포함된 16 크기의 배치가 포함됩니다. 각 수동 검사에 대해 30초를 가정하면 모든 누설 셀을 수동으로 식별하는 데 약 3.5시간의 시간이 필요합니다(배치수105개*반감단계총4회*30초/3600초). 반면에 이 예에서 64개 셀의 배치 크기로 작업하는 경우 교대조당 83,600개의 셀을 검사할 수 있지만 결함이 있는 셀이 있는 배치도 평균 420개가 됩니다. 동시에 필요한 반감 단계의 수는 64개 배치의 경우 6개로 증가합니다. 이로 인해 교대 당 누설 세포를 수동으로 식별하는 데 약 20.9시간의 시간이 필요합니다.

기본적으로 모든 유형의 리튬 이온 셀에 대해 ELT3000 PLUS 으로 누설 테스트를 유용하게 수행할 수 있는 두 가지 프로세스 단계가 있습니다. 셀 충전 및 밀봉 후와 포메이션 후입니다. 밀봉 후 테스트를 통해 누설이 있는 셀은 포메이션 공정을 진행하지 않을 수 있고 동시에 누설이 있는 셀을 포메이션하는 것으로 인한 모든 위험을 배제할 수 있습니다. 포메이션 후 두 번째 테스트에서는 취급으로 인한 누설을 식별할 수 있으며(특히 파우치 셀에서도 적용 가능) 동시에 누설이 없는 셀만 다음 단계로 운반되도록 보장할 수 있습니다.