누설 테스트 중 수행 중인 작업 이해하기
리튬 이온 전지의 직접 전해질 누설 테스트를 위한 5가지 중요한 사실.
과거에는 이미 전해액이 채워져 있거나 심지어 형성된 리튬 이온 및 나트륨 이온 배터리 셀의 누설 여부를 테스트하는 것이 불가능했습니다. 인피콘은 특허를 받은 새로운 직접 전해액 누설 테스트 방법을 통해 이를 개선했습니다. 독립형 ELT3000 PLUS 와 내장형 ELT Vmax 는 모두 이 획기적인 테스트 방법을 사용하여 한 자릿수 마이크로미터 범위의 미세한 누설에서 전해액이 진공 테스트 챔버로 누설되는 것을 감지합니다. 그러나 배터리 셀의 의미 있는 누설 테스트를 방해할 수 있는 일반적인 오해가 있습니다. 이 글을 통해 이러한 오해에서 벗어나고자 합니다. 다음은 누설 테스트 중 공정 신뢰성을 보장하는 데 도움이 되는 5가지 사실입니다.
1. 헬륨 및 전해질 누설률을 정확하게 변환할 수 없는 이유
헬륨은 진공 누설 테스트에 가장 잘 알려진 미량 가스일 것입니다. 헬륨은 확립된 표준입니다. 이러한 이유로 배터리 셀의 전해질 누설률은 일반적으로 헬륨 등가 누설률의 형태로 보정됩니다. 그러나 액체의 누설률은 각 액체의 특성에 따라 크게 달라집니다. 이러한 특성을 정확히 알 수 없는 경우가 많기 때문에 ELT 시리즈의 모든 장치, 즉 ELT3000 PLUS 와 ELT Vmax, 는 100% 탄산디메틸(DMC) 및 대기압에 대해 표준화된 헬륨 등가 누설률을 표시합니다.
즉, 예를 들어 E-Check 테스트 누설을 통한 교정은 배터리 셀이 대기압에서 순수한 DMC로 채워진 경우에만 정확한 헬륨 등가 누설률로 이어질 수 있습니다. 그러나 실제 배터리 셀은 내부에 일정 비율의 DMC만 포함되어 있으며 종종 일정한 저압도 존재합니다.
두 누설률이 정확히 얼마나 다른지는 세심하게 보정하더라도 여러 요인에 따라 달라집니다. 단순화된 모델 계산을 사용한 두 가지 예는 실제로 그 차이가 얼마나 클 수 있는지 보여줍니다. 적절한 거부 누설률을 결정할 때 이 점을 염두에 두는 것이 중요합니다.
| 사례 연구 A: 원통형 셀 | |
|---|---|
| 충전 압력 | 750 mbar |
| 전해질 | DMC 기반 (50 % DMC/50 % EC, 1.0 M LiPF6) |
| 진공 헬륨 누설률의 기존 누설: | 10-5 mbar∙l/s |
| ELT 시리즈의 보정된 누설 감지기로 표시된 전해질 누설률입니다: | 5∙10-7 mbar∙l/s |
| 사례 연구 B: 파우치 셀 | |
|---|---|
| 충전 압력 | 250 mbar |
| 전해질 | EMC 기반 전해질 (100 % EMC, 1.0 M LiPF6) |
| 진공 헬륨 누설률의 기존 누설: | 10-5 mbar∙l/s |
| ELT 시리즈의 보정된 누설 감지기로 표시된 전해질 누설률입니다: | 10-6 mbar∙l/s |
2. 누설률 0은 합리적인 품질 요구 사항이 아닙니다.
물리학의 기본 사실은 누설률이 실제로 0이 될 수 없다는 것입니다. 그리고 누설률이 0이 될 수 있다고 해도 이를 측정할 방법이 없습니다. 따라서 누설률을 0으로 제한하는 것은 무의미합니다. 오히려 셀에 유해한 오류 모드가 더 이상 발생하지 않도록 리젝션 누설률을 정의하는 것이 중요합니다.
셀 누설로 인한 심각한 결과
- 액체 전해질의 손실과 그에 따른 용량 손실
- 수분 유입, 전해질과의 반응으로 부식성 불산이 형성되어 더 큰 누설과 용량 손실을 유발합니다.
- 파우치 셀의 기계적 무결성 손실
배터리 셀과 대기 사이에서 액체와 기체가 교환되는 것을 방지하기 위해 가능한 모든 조치를 취하는 것이 중요합니다. 이를 방지하기 위한 누설률에 대한 구체적인 요건은 아래 섹션 3에서 설명합니다.
3. 액체는 누설 채널을 효과적으로 차단할 수 있습니다.
배터리 셀의 모든 누설이 치명적인 결과를 초래하는 것은 아닙니다. 제조 과정에서 배터리 셀은 액체로 채워집니다. 가스 누설의 경우 누설 직경과 누설률 사이에 직접적인 상관관계가 있지만, 액체 누설의 경우 그렇지 않습니다(적어도 누설 채널 직경의 범위가 넓지 않은 경우). 따라서 좋은 소식은 모세관 힘으로 인해 누설 채널의 액체가 누설 채널을 단순히 차단할 수 있다는 것입니다. 이렇게 막힌 누설 채널을 통해 액체나 기체는 배터리 셀로 침투할 수도 없고 빠져나갈 수도 없습니다. 즉, 누설 채널이 막힌 상태는 기밀로 간주할 수 있습니다.
리튬 이온 셀 테스트에 대한 자세한 SAE Paper 논문에서는 누설 채널 막힘 현상과 그에 따른 누설률을 포괄적이고 정량적으로 설명했습니다. 아래 두 가지 사례 연구에서는 액체 전해질에 의해 차단되는 리젝트 누설률을 설정했습니다.
| 사례 연구 A: 원통형 셀 | |
|---|---|
| 충전 압력 | 750 mbar |
| 전해질 | DMC 기반 (50 % DMC/50 % EC, 1.0 M LiPF6) |
| 효과적인 누설 차단을 위한 누설률 제한 | 5∙10-6 mbar∙l/s |
| 사례 연구 B: 파우치 셀 | |
|---|---|
| 충전 압력 | 250 mbar |
| 전해질 | EMC 기반 (100 % EMC, 1.0 M LiPF6) |
| 효과적인 누설 차단을 위한 누설률 제한 | 5∙10-7 mbar∙l/s |
4. 누설 셀은 보정 표준으로 부적합합니다.
전해액 누설 테스터를 보정하기 위해 누설 셀을 사용하는 것은 언뜻 보기에는 가능한 옵션처럼 보일 수 있습니다. 그러나 자세히 살펴보면 이러한 접근 방식은 너무 신뢰할 수 없는 것으로 판명되었습니다. 여기에는 여러 가지 이유가 있습니다:
- 누설 셀에 원래 존재했던 누설 채널이 차단될 수 있습니다.
- 누설이 있는 셀에서는 측정의 반복성이 불가능합니다(포인트 5 참조).
- 이런 식으로 인증된 누설률로 작업하는 것이 아닙니다.
- 결함이 있는 구성 요소인 누설 셀은 본질적으로 불안정합니다.
- 배터리 셀을 고의적으로 조작하여 원하는 누설률을 달성하는 것은 매우 어렵습니다.
- 누설된 셀을 '보정'한다고 해서 공정 안정성이 향상되는 것은 아닙니다.
이러한 배경에서 인피콘의 E-Check 2.0과 같은 인증된 캘리브레이션 리크 측정기를 사용하는 것이 훨씬 더 편리합니다. E-Check 2.0은 DMC 전해질 용매로 채워져 있고 진공 챔버에 통합되어 있으며 항상 작동할 준비가 되어 있습니다. 따라서 2시간마다 또는 각 교대 근무 시작 시와 같이 사전 설정된 간격으로 단 몇 초 만에 자동 테스트 측정이 가능합니다. 결함이 있는 셀과 달리 인증된 캘리브레이션 리크는 외부 영향에 대해 안정적이며 항상 반복 가능한 누설률이 정의되어 있습니다. 결과적으로 완전 자동 인라인 테스트의 공정 신뢰성이 극대화됩니다.
5. 누설 셀의 누설률은 추가 측정에 따라 감소합니다.
동일한 누설 셀을 두 번 연속해서 테스트하면 일반적으로 이전보다 약간 낮은 누설률을 측정하게 됩니다. 이로 인해 일부 사용자는 잘못된 결론을 내릴 수 있습니다. 이는 테스트 장치가 신뢰할 수 없다는 신호가 아니라 실제로 누설 채널의 실제 특성입니다.
직접 전해액 누설 테스트의 원리는 누설 채널을 통해 침투한 전해액 용매가 테스트 챔버의 진공 상태에서 증발하는 것입니다. 이렇게 하면 테스트 기체가 되어 테스트 장치의 질량 분석기로 농도가 감지됩니다. 결과적으로 누설 채널의 전해질 용매 농도는 진공 상태에서 측정할 때마다 처음에 감소합니다. 후속 측정에서는 용매의 농도가 감소한 것으로만 나타나며 그에 따라 누설률도 낮아집니다.
그러나 두 측정 사이에 일정 시간(1시간 또는 그 이상)을 기다리면 누설 채널의 전해질 용매가 확산을 통해 원래 농도로 되돌아가 겉으로 줄어든 누설의 효과가 크게 감소합니다.
이러한 모든 고려 사항에서 결정적인 결과가 나왔습니다: 원래의 첫 번째 측정으로 결정된 누설률은 여전히 정확하다는 것입니다. 얼마 후 동일한 누설 셀을 다시 테스트하려는 경우 측정 가능한 전해질 용매 농도, 즉 측정 가능한 누설률이 낮아질 수 있습니다. 그러나 그 이유는 테스트 시스템의 오작동이나 공정 신뢰성 부족이 아니라 누설 채널의 물리학 때문입니다.