목차
배터리 성능의 핵심인 열 동작
효율적이고 오래 지속되는 배터리를 개발하려면 셀 구성 요소의 열물리학적 특성에 대한 자세한 이해가 필요합니다. 특히 리튬 인산철(LFP), 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 및 고체 전해질을 특성화할 때는 충전 및 방전 주기 동안 노화 메커니즘과 효율 손실을 이해하고 제어하기 위해 열 파라미터를 정밀하게 측정하는 것이 중요합니다. 그리고 과도 핫 브리지(THB) 방법은 열 전도도를 정확하게 측정하기 위한 핵심적인 방법으로 입증되었습니다. 열 전도성, 열 확산성 와 비열 용량 을 설정합니다.
트랜지션 핫 브리지 방식: 기술적 우위
The THB-방법은 여러 수준에서 셀 구성 요소의 열 특성을 측정하는 정확도를 향상시키고 과도 핫 스트립(THS) 또는 기존 열선 방법과 같은 구식 방법에 비해 결정적인 이점을 제공합니다. 절대 측정 방법으로서 추가적인 보정이나 기준 측정이 필요하지 않으므로 기준 편차로 인한 체계적인 오류가 없습니다(Linseis Messgeräte GmbH, 2024).
기술 설계 및 측정 원리
THB 방식의 센서는 두 개의 폴리이미드 호일 사이에 니켈로 만든 인쇄 회로 호일로 구현됩니다. 레이아웃은 4개의 가열 스트립을 병렬로 배열하고 연결하여 휘트스톤 브리지를 형성하는 방식으로 구성됩니다. 일정한 온도에서 브리지는 본질적으로 균형을 이루므로 보정이 필요하지 않습니다.
THB의 특히 중요한 장점은 가장자리 효과의 보정입니다. 기존의 열선 방식은 연결부나 가장자리 부분을 통한 열 손실의 영향을 받지만, THB 측정 방식은 이러한 가장자리 효과를 측정하므로 결과에서 차감할 수 있습니다.
이 방법은 0.01~1000W/(m*K)의 광범위한 열전도도 측정 범위를 지원하며 다음과 같은 국제 표준을 충족합니다. ASTM D5930, ASTM D7896-19 및 ISO 22007-2를 준수하여 비교 가능성과 품질 보증을 보장합니다. 1분 미만의 짧은 측정 시간이 특히 장점입니다.
배터리 셀의 중요한 열물리 파라미터
몇 가지 열물리학적 파라미터는 충전 및 방전 주기 동안 NMC 및 LFP 셀의 노화 및 효율성에 결정적으로 중요합니다:
열전도율은 셀 내에서 얼마나 효율적으로 열을 발산할 수 있는지를 결정합니다. 열전도율이 높으면 온도 분포가 균일해지고 국부적으로 높은 온도를 유발하여 노화를 가속화할 수 있는 핫스팟을 방지할 수 있습니다. (2024)에 따르면 노화로 인한 열전도율의 감소는 리튬 이온 배터리의 성능과 안전성을 직접적으로 감소시키며, 장시간 고온 부하와 수천 번의 사이클을 거친 후 최대 75%까지 감소하는 경우도 있다고 합니다.
비열용량은 셀 구성 요소가 온도가 상승할 때까지 얼마나 많은 열을 흡수할 수 있는지를 정의합니다. 높은 열용량을 가진 소재는 온도 변동을 더 잘 완충하므로 급속 충전/방전 과정에서 셀 손상을 줄일 수 있습니다. 비열용량은 노화 및 재료 피로로 인해 변경될 수 있으며, 따라서 사이클 동안 온도 프로파일에 영향을 미칩니다.
열 확산도는 온도 변화가 재료에 얼마나 빨리 퍼지는지를 나타냅니다. 열확산성이 낮으면 셀 내에서 관성적으로 변화하는 온도 영역이 발생하며, 이러한 경우 위험한 온도 구배가 형성되어 국소적으로 노화가 촉진될 수 있으므로 특히 높은 C 속도에서 중요합니다.
실제 적용 사례
음극 재료 특성화
구체적인 적용 사례로는 얇은 구리 집전체에 적용된 양극 재료의 열 전도도 측정이 있습니다. 이러한 측정은 배터리 열 관리 시스템의 개발, 최적화 및 설계에 중요합니다. THB 방법을 사용하면 코팅과 기판 소재를 전체적으로 특성화할 수 있습니다.
배터리 생산 품질 관리
산업용 배터리 생산에서는 원재료의 지속적인 품질 관리를 위해 THB 방식을 사용합니다.
새로운 전극 소재 개발
이 방법은 고체와 액체는 물론 분말과 페이스트에 대해서도 높은 측정 정확도로 결과를 제공하므로 혁신적인 전극 재료 개발에 특히 유용합니다.
재료별 고려 사항 및 노화 효과
LFP 전지는 화학적 안정성과 적당한 온도 의존성으로 잘 알려져 있지만 주기적인 부하로 인한 전극의 미세 구조적 손상은 열전도율과 열용량을 크게 저하시킬 수 있습니다. NMC 셀은 열적 특성에서 온도 및 노화 의존성이 더 강한 경우가 많기 때문에 열 관리 및 재료 특성화에 대한 요구가 더 높습니다(Ali et al., 2023).
고체 전해질은 안전성을 높일 수 있는 잠재력을 제공하지만, 때때로 낮은 고유 열전도율은 온도 균질성에 대한 새로운 과제를 제기하며 특히 THB와 같은 정밀하고 공간 분해능이 뛰어난 측정 방법을 필요로 합니다. Steinhardt 등(2022)은 실험적으로 강한 온도 상승과 기울기가 세포의 노화와 성능 모두에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 확인했습니다.
방법 비교: THB와 기존 방법 비교
레이저 플래시 분석(LFA)과의 비교
THB 측정 방법은 열전도도, 열확산도, 밀도를 알고 있는 경우 비열 용량을 제공합니다. 레이저 플래시 레이저 플래시 방법 은 열확산도만 제공합니다. 또한 THB를 사용한 측정은 매우 간단하며 사전 지식 없이도 수행할 수 있습니다. 또한 측정에 몇 초에서 몇 분밖에 걸리지 않습니다.
의 장점 LFA 의 장점은 -150~2800°C의 넓은 온도 범위를 커버할 수 있다는 점입니다. THB는 -150~700°C의 온도 범위에서 사용할 수 있습니다.
기존 핫 와이어 방식에 비해 장점
기존의 핫 와이어 방식은 가장자리 효과와 케이블의 영향으로 인해 체계적인 측정 오류가 발생할 수 있습니다. THB는 이러한 문제를 해결합니다:
- 경계 효과의 측정 및 보정을 통해 훨씬 더 높은 정확도를 얻을 수 있습니다.
- 브리지 구성으로 측정 장치의 캘리브레이션 및 작동이 크게 간소화됩니다.
기존 핫 와이어 방식에 비해 장점
기존의 핫 와이어 방식은 가장자리 효과와 케이블의 영향으로 인해 체계적인 측정 오류가 발생할 수 있습니다. THB는 이러한 문제를 해결합니다:
- 경계 효과의 측정 및 보정을 통해 훨씬 더 높은 정확도를 얻을 수 있습니다.
- 브리지 구성으로 측정 장치의 캘리브레이션 및 작동이 크게 간소화됩니다.
배터리 안전의 중요성
열물리학적 특성을 정밀하게 분석하는 것은 배터리 안전성을 평가하는 데 매우 중요합니다. 규제 당국은 남용 조건에서의 동작을 예측하기 위해 상세한 열 모델을 점점 더 많이 요구하고 있습니다. 표준을 준수하는 THB 방법은 이러한 안전성 평가에 필요한 기본 데이터를 제공하며 배터리 제품 승인에 기여합니다.
연구 개발을 위한 결론
과도 핫 브리지 방법은 보정 없이 경계 효과 보정 측정, 높은 재료 유연성 및 짧은 측정 시간을 통해 셀 구성 요소의 열 특성 측정의 정확성을 극대화합니다. 모든 관련 열물리 파라미터의 정확하고 재현 가능한 측정을 통해서만 오늘날 셀 소재를 효율적으로 평가하고 새로운 설계를 개발하며 품질 표준을 보장할 수 있습니다. 따라서 전극과 분리막에서 고체 전해질에 이르기까지 최신 배터리 재료의 특성화 및 최적화를 위해 실험실에서 없어서는 안 될 도구이며, 특히 최신 배터리 연구 및 개발의 요구에 맞는 최고의 정밀도와 애플리케이션 유연성을 제공합니다.
참고 문헌
Ali, H. et al. (2023). “전기 자동차 애플리케이션을 위한 리튬 이온 배터리의 달력 노화 평가”. 에너지 연구의 프론티어.
Marconnet, A. et al. (2024). “리튬 이온 배터리 전극의 열물리학적 특성에 대한 노화의 영향”. 저널 오브 파워 소스.
함머 슈미트, U. “일시적인 핫 브리지”. 물리 기술 연구소 브라운 슈바이크.
Steinhardt, M. et al. (2022). “리튬 이온 배터리 부품의 열전도율에 대한 실험적 조사”.
