​배터리 셀 품질 테스트: 테스트를 경쟁력으로 삼기

생산 공정에 대한 이해 없이 배터리 셀 테스트에 대해 논의하기란 힘듭니다. 배터리 셀 생산에는 화학 물질 혼합, 기계적 조립, 재료 적층, 용접 등과 같은 다양한 기술과 분야를 포함하는 여러 단계가 필요합니다. 이러한 각 단계는 최종 배터리의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 요약하면, 생산 공정은 전극 제조, 셀 조립, 컨디셔닝 단계 및 팩 조립 등과 같은 몇 가지 굵직한 영역으로 그룹화됩니다.

전극 제조

전극 제조 공정에서 원자재를 사용하여 배터리의 기본 구성요소를 만듭니다. 이 과정은 먼저 슬러리를 섞고, 금속 호일에 슬러리를 도포하고, 코팅된 호일을 절단하여 다음 단계로 진행합니다. 이렇게 코팅된 호일은 배터리의 전극인 양극과 음극이 됩니다.

활물질, 용제, 바인더가 혼합되어 전하를 저장하는 전극에서 사용되는 슬러리가 됩니다. 슬러리 형성 수식은 셀의 화학적 성질과 전극의 타입 (양극 또는 음극)에 따라 달라집니다. 이 슬러리 혼합액에 따라 배터리 셀의 성능 수준이 결정됩니다. 슬러리는 정밀한 코팅 공정을 통해 금속 호일에 도포됩니다. 그런 다음 코팅이 건조되어야 용제가 증발하여 호일에 활물질만 남게 됩니다. 호일의 크기는 셀의 구조와 폼 팩터에 영향을 미칩니다. 

여러 가지 변수가 코팅 및 건조 공정에서 모니터링되고 제어됩니다. 슬러리 점도, 코팅 속도 및 호일 장력은 코팅의 두께와 균일성에 영향을 미칩니다. 건조 공정 중에는 온도와 습도를 철저하게 조절해야 합니다. 건조된 호일은 캘린더링 공정에서 롤러 사이를 통과하여 압축됩니다. 캘린더링은 균일성을 향상시키고 전체 전극 두께를 줄이며 불완전부를 없앱니다. 그런 다음 전극 시트는 셀 조립을 위해 관리하기 쉬운 모양으로 미리 절단됩니다. 

셀 조립

배터리 셀 조립은 수분, 먼지 입자, 열팽창 및 재료의 압축으로 인한 전극의 성능 저하를 방지하기 위해 엄격하게 통제된 환경에서 수행됩니다. 전극은 절단(cutting), 스태킹(stacking), 패킹(packing) 및 밀봉(sealing) 공정을 거쳐 배터리 셀에 조립됩니다.

1. 전극은 최종 셀 폼 팩터에 따라 원통형, 파우치, 각형 등과 같은 적절한 모양으로 절단됩니다. 
2. 양극 전극과 음극 전극은 사이에 분리막이 놓고 쌓습니다. 이 공정에서 사용되는 기술은 셀의 구조에 따라 다릅니다. 모든 경우에 양극과 음극이 서로 접촉하지 않도록 층을 정렬하는 것이 중요합니다. 접촉하면 단락 회로가 발생하기 때문입니다. 
3. 탭이라고 하는 전도성 금속의 얇은 스트립이 양극과 음극에 용접되어 있습니다. 이러한 탭은 전극을 외부 회로에 연결합니다. 
4. 셀은 폼 팩터에 따라 미리 형성된 포장재로 조립됩니다. 
5. 패킹된 셀은 충전 및 방전 중에 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동을 용이하게 하는 전해질로 채워져 있습니다. 충전 공정에서는 절대적인 정밀도가 필요합니다. 에러나 오염은 배터리의 성능을 저하시키거나 심지어 안전에 위험을 초래할 수도 있습니다. 
6. 충전된 셀은 일정 시간 동안 휴지되는데, 이 공정을 소킹(soaking)이라고 합니다. 소킹 공정을 통해 전해액이 전극 물질을 완전히 포화시키고 기포가 셀에 갇히지 않도록 합니다. 
7. 배터리 셀은 밀폐되어 있어 전해액이 누출되는 것을 방지하고 공기와 습기가 침투하지 않도록 방지합니다. 
    

컨디셔닝 단계

이 단계에서 배터리 셀은 배터리처럼 보이지만 활성 상태가 아닙니다. 셀은 활성화(formation)라는 공정을 통해 활성화되며 이 공정에서 전지는 전기 에너지를 저장하고 방출할 수 있게 됩니다. 

배터리 셀은 활성화되는 과정에서 1회의 충전-방전 사이클을 겪습니다. 충전하는 동안, 전해질은 전극 물질과 반응하고, 리튬 이온은 음극에서 양극으로 이동하여 SEI (Solid Electrolyte Interphase) 층을 형성합니다. SEI 층은 전해질의 분해를 방지하는 동시에 리튬 이온은 통과할 수 있도록 합니다. 활성화 사이클 후 매번 배터리 셀은 셀 내의 화학 반응에 의해 생성된 불필요한 가스를 제거하는 과정을 거칩니다. 그런 다음 셀은 또 다른 활성화 공정을 거치기에 앞서 통제된 환경에서 에이징(aging) 및 안정화됩니다. 

이러한 공정과 사이클은 각 셀 제조업체에 따라 크게 다르며 여러 기술을 사용하여 반복됩니다. 이 전체 단계는 배터리 셀의 올바른 작동과 수명에 매우 중요합니다. 여기서 과제는 이 단계에 며칠이 걸리며 일반적으로 이 공정이 완료될 때까지는 양호한 SEI 층이 있는지 여부를 알 수 없다는 점입니다. 

배터리 팩 조립

배터리 팩 조립은 개별 배터리 셀을 완전한 배터리 팩으로 조립하는 공정으로 구성됩니다. 최종 케이스에 넣기 전에 배터리 셀을 정렬하고, 모듈을 조립 및 상호 연결하고, 배터리 관리 시스템 (BMS)을 설치해야 합니다. BMS는 배터리 팩의 성능을 모니터링하고 제어하는 중요한 구성요소로, 전압, 전류, 온도 및 충전 상태와 같은 파라미터를 추적합니다. 또한 최적의 성능과 안전성을 유지하기 위해 필요에 따라 조정할 수도 있습니다.

^{그림 1: 배터리 모듈}

1. 셀은 용량과 내부 저항에 따라 정렬됩니다. 최적의 성능과 수명을 위해서는 배터리 팩 내에 있는 셀의 성능 특성이 비슷해야 합니다. 셀 간에 성능 특성의 편차가 너무 크면 충전 및 방전 시 불균형이 발생하여 시간이 지남에 따라 팩의 성능이 저하될 수 있습니다.
2. 셀은 물리적으로 모듈로 배열되고 직렬 및 병렬 회로의 조합으로 연결되어 원하는 전압과 용량을 얻습니다. 여러 모듈은 와이어 본딩이나 전도성 스트립 또는 와이어를 셀 또는 모듈의 터미널에 용접하여 연결할 수 있습니다. 구성은 배터리 팩이 사용되는 디바이스 또는 차량의 요구사항에 따라 달라집니다. 
3. 모듈과 BMS는 케이스 또는 인클로저에 넣습니다. 인클로저는 구성요소를 물리적 손상으로부터 보호하고 열을 관리하고 전기 절연을 제공합니다.

검증 엔지니어는 다양한 테스트를 통해 배터리 셀의 품질과 성능의 여러 측면을 검증합니다. 테스트마다 서로 다른 목적과 장단점이 있습니다. 이러한 테스트에 대한 자세한 정보는​미리 충전하기: EV 생산 시 배터리 셀 품질 테스트​를 참조하십시오.

응용 분야 및 아키텍처에 따라 EV용 배터리 팩은 각 팩에 수백 또는 수천 개의 셀을 포함할 수 있습니다. McKinsey는 전 세계 배터리 제조업체가 2030년 생산 목표를 달성하는 데 필요한 용량의 약 10%만 보유하고 있다고 추정합니다. 더 우수한 배터리의 가용성과 생산은 자동차 산업이 계속해서 올바른 방향으로 나아가고 예상 수요를 충족하게 하는 데 있어서 매우 중요합니다. 

^{그림 2: 배터리 팩}

대부분의 사람들은 품질 테스트를 안전 및 성능과 연계시킵니다. 이는 의심할 여지없이 중요하지만, 배터리 셀 품질은 또한생산 규모를 확장하고, 고객 요구 사항에 대응하고, 적절한 수익을 유지하면서 규제 요구사항을 충족하는 데 매우 중요합니다.

조기에 결함 감지

배터리 셀 생산의 각 단계는 매우 중요하며 몇 주가 소요될 수 있는 긴 공정입니다. 업계를 선도하는 최우수 생산업체라면 공정을 마친 후 테스트하는 관행에서 벗어나야 합니다. 테스트는 제조 공정 전반에 걸쳐 포함해야 합니다. 그래야 결함을 더 빠르게, 발생 지점에 더 가깝게 발견할 수 있습니다.

결함을 최대한 빨리 감지하면 원자재를 보다 효율적으로 사용하고 재작업을 줄이며 배터리 성능을 향상시켜 궁극적으로 생산 처리량을 향상시킬 수 있습니다.

예를 들어, 전극 제조는 배터리 생산 공정의 매우 초기 단계입니다. 건조 공정이 너무 빨리 진행되어 코팅에 금이 가거나, 코팅이 전극을 균일하게 덮지 못하거나, 전극 호일에 주름이 생기거나 균열이 생기는 등 여러 결함이 발생할 수 있습니다. 이 단계에서 철저한 검사 프로세스는 결함이 발생할 수 있거나 표준 이하의 제품에 값비싼 원자재를 투입하기 전에 결함을 찾아내는 데 매우 중요합니다.

이후 생산 공정에서 분리막과 전극의 정렬이 적절하지 않거나, 셀 조립 중 덴드라이트 및 잘못된 연결이 발생하거나, 활성화 공정 중 고르지 않은 SEI 층이 생성될 수 있습니다. 이러한 모든 결함은 성능 저하, 노화 가속화 또는 열 이벤트를 일으킬 수 있는 내부 단락 회로로 이어질 수 있습니다. 

조기에 결함 감지는시트프 레프트로 시작합니다. 제품 설계에 테스트를 포함시키면 속도와 품질이 향상될 뿐만 아니라 수익도 늘어납니다. Gartner의 연구에 따르면 신제품 개발 (NPD) 단계의 초기에 제품 품질에 높은 관심을 기울인 기업은 그렇지 않은 기업보다 20% 더 높은 수익을 얻었습니다. 

디지털 엔지니어링 및 가상 검증과 같은 도구는 큰 도움이 됩니다. 프로토타입 및 실험적 설계를 철저하게 테스트하면 설계 엔지니어는 설계 결함, 생산 능력 및 개선 기회를 평가할 수 있습니다. 반복적인 접근 방식은 제품과 기술을 개선하여 최적의 성능과 안정성을 보장합니다. 

하이퍼 오토메이션 통합

배터리 랩에서 광범위한 테스트를 수행하는 것도 중요하지만, 대량 생산 환경에 맞게 확장하는 것은 새로운 과제입니다. 빠르게 증가하는 생산량, 긴 테스트 시간, 생산 라인의 물리적 공간 등으로 인해 배터리 셀 테스트는 기존의 생산 과제에 비해 매우 복잡합니다. 

배터리 생산 환경 전반에 더 많은 테스트를 통합하려면 자동화가 절대적으로 필요합니다. 이는 엄격한 제어를 보장하고, 테스트 결과의 노이즈를 줄이며, 속도를 높이는 동시에 결함 감지를 개선하는 가장 깔끔하고 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이러한 일관성은 감사 및 규제 요구사항을 충족하는 데도 매우 중요합니다. 

하이퍼 오토메이션은 AI, ML, 로봇 프로세스 자동화 (RPA) 및 기타 디지털 도구와 같은 고급 기술을 통해 이러한 이점을 한 차원 높입니다. 또한 전체 작업 흐름에서 원활한 자동화를 위해서는 서로 다른 시스템, 도구 및 데이터 소스의 통합이 중요합니다. 생산 규모를 확장하고, 비용을 관리하고, 품질을 향상시키려는 경우 테스트 전략에 하이퍼 오토메이션이 반드시 포함되어야 합니다. 

데이터 활용

배터리 셀 생산 라인 전반에서는 수천 개의 테스트 및 측정 노드가 수집됩니다. 균일한 테스트 데이터를 통해 엔지니어는 배터리 시스템, 품질 및 성능에 대해 더 자세히 파악할 수 있습니다. 생산 데이터를 검증 및 제품 설계 단계에 다시 제공하여 데이터의 가치를 극대화하여 제품을 개선하고 제조 공정을 개선합니다. 

고급 측정 및 알고리즘을 사용하여 결함을 확실하게 감지하는 방법에 대한 이해와 함께 기술은 빠르게 발전하고 있습니다. AI와 ML은 현재 인간이 파악하지 못하는 이상을 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 지능적인 분석을 통해 추세를 파악함으로써 생산업체는 셀의 내부 작동을 더 잘 이해하고 결함의 발생을 방지하며 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다.

EV, 배터리 제조업체 및 OEM은 정밀도, 반복성 및 추적성의 저하 없이 생산을 가속화해야 한다는 지속적인 압박을 받고 있습니다. 배터리 산업계의 기업이 목표를 달성하기 위해 경쟁하는 가운데, NI는 테스트, 측정, 데이터 수집, 신호 컨디셔닝 및 모듈형 하드웨어 분야에서 수십 년 간의 경험을 활용하여 새로운 과제를 해결하는 차세대 배터리 테스트 솔루션을 설계했습니다. 

^{그림 3: 배터리 셀 검증 랩}

이러한 솔루션은 고객의 수요에 맞춰 확장되며 가치를 창출할 수 있도록 미래지향적으로 설계됩니다. NI는 테스트 데이터를 간소화된 방식으로 수집, 표준화, 관리 및 분석할 수 있는 광범위한 인터페이스와 소프트웨어를 통해 기업 전체의 광범위한 요구 사항을 처리할 수 있습니다. 

NI 솔루션은 배터리 셀 테스트 시스템 기술의 최전선에 있습니다. 이러한 통합 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션은 물리적 공간을 줄이면서 자동화된 테스트 시스템 및 고급 분석을 구축하는 데 최적화되어 있습니다. 이 방법을 사용하면 시간이나 공간의 제약 없이 생산 라인 전체에서 포괄적인 테스트를 수행할 수 있습니다. 모듈형 PXI 플랫폼은 능률적인 작업 흐름과 극대화된 유연성을 제공합니다.

하드웨어

NI EV 배터리 셀 및 모듈 생산 테스트 시스템은 PXI 플랫폼으로 시작합니다. 모듈형 시스템으로서 이 플랫폼은 모든 계측 및 기능을 중앙 집중식 컴퓨팅 시스템으로 통합하며 PXI 모듈은 광범위한 특수 I/O 및 계측을 포괄합니다. 이러한 유연성 덕분에 단일 섀시에서 고밀도 측정을 달성할 수 있습니다 (ACIR, OCV, HPCD, 누출, EIS 등). 또한 PXI 플랫폼은 동시 입력과 멀티플렉스 입력을 혼합하여 생산자에게 비용과 생산 처리량의 균형을 최대한 맞출 수 있는 유연성을 제공합니다. 

PXI는 크기가 작지만 뛰어난 성능을 자랑하는 제품으로, 사용자가 중요한 생산 공간을 사용하지 않고도 테스트 범위를 확장할 수 있습니다. 사용자가 다양한 계측기를 원활하게 연결하고 조정할 수 있습니다. 또한 모듈형 설계는 계측기 교체와 같은 교정 및 유지 보수 작업을 간소화합니다. 이 플랫폼 기반 시스템은 제조업체 의존성을 생성하는 폐쇄형 솔루션과 대조됩니다. 또한 복잡한 인터페이스와 통합으로 맞춤화된 시스템으로 인해 발생하는 비용 및 시간 제약을 없애줍니다. 또한 NI의 계측기는 소프트웨어로 정의되기 때문에, 하드웨어를 교체하지 않고도 ACIR 및 EIS 테스트의 주파수 및 전류와 같이 끊임없이 변화하는 요구사항을 수정하고 파라미터를 쉽게 변경할 수 있습니다.

• 소스 측정 유닛 (SMU)은 ACIR, EIS 및 용접 무결성 테스트를 위한 반복 가능하고 정밀한 측정 및 전류 소싱을 제공합니다. SMU는 자동화된 테스트 시스템 및 병렬 테스트 기능을 통해 테스트 실행을 가속화하도록 최적화되어 있습니다. 
• 디지털 멀티미터 (DMM)는 자동화된 테스트 및 측정을 위해 제작되어 OCV 및 용접 무결성 테스트를 위해 빠르고 정확한 전압 측정을 수행합니다. NI의 DMM은 기존 DMM보다 36배 더 빠르게 고분해능 측정을 수집하여 처리량과 유연성을 향상시킵니다.
• NI의 멀티플렉서는 측정 또는 신호 생성 계측기를 테스트 중인 유닛의 다양한 테스트 포인트에 연결해야 하는 응용 분야에 이상적이며, 작은 설치 공간에서 테스트 적용 범위를 극대화할 수 있습니다. 이 고속 디바이스는 PXI 플랫폼 고유의 타이밍 및 동기화 기능을 사용하여 다른 계측기와 통신합니다.
• 오실로스코프 및 다양한 입력 및 출력 인터페이스와 같은 계측기를 추가하여 멀티코어 프로세서 및 지연 시간이 짧은 통신 기능을 갖춘 혼합 신호 테스트 시스템을 구축할 수 있습니다. 

소프트웨어

NI의 통합 소프트웨어 툴체인을 사용하면 테스트를 정의, 실행 및 모니터링할 수 있습니다. 고급 분석 기능은 생산 라인 전체에서 통합된 데이터 파이프라인을 통해 제공됩니다. NI 소프트웨어는 강력한 기본 기능과 손쉬운 사용자 정의 기능을 제공합니다. 

NI는 생산성을 높이고 가장 어려운 과제를 해결할 수 있도록 종합적인 소프트웨어 포트폴리오를 제공합니다. 다음은 배터리 셀 품질 테스트 프로세스, 데이터 및 자산을 간소화하고 관리하도록 설계된 몇 가지 NI 소프트웨어 프로그램입니다.

• SystemLink™ 소프트웨어는 중앙 집중식 데이터 파이프라인과 만나 자산 관리 및 테스트 조정을 위한 중앙 인프라를 제공합니다. 신속한 데이터 수집, 분석 및 보고 기능을 통해 테스트 및 측정 데이터로부터 정보를 추출하는 시간을 단축하여 기회를 식별하고 의사 결정을 가속화하며 처리량을 극대화할 수 있습니다.
• TestStand는 테스트 엔지니어가 테스트 시스템을 개발, 디버깅 및 배포할 수 있도록 지원하여 테스트 프로세스 및 결과를 완벽하게 파악할 수 있도록 합니다. 병렬 테스트, 스위핑, 루핑 및 동기화와 같은 복잡한 작업을 자동화하고 가속화합니다.
• LabVIEW는 자동화된 테스트 및 측정 시스템의 신속한 개발을 위한 그래픽 프로그래밍 환경입니다. 설정 가능한 대화식 디스플레이 요소, 사용자 정의 분석 기능이 특징이며 생산 라인의 다른 계측기와 접속하기 위해 드라이버에 대한 액세스 권한을 제공합니다. LabVIEW는 개발 시간을 단축하고 가동 중단 시간을 줄이며 코드 재사용을 늘려줍니다. 
• Switch Executive는 대화식 설정 및 자동 라우팅 기능을 제공하므로 멀티플렉서 및 스위치 시스템을 보다 쉽게 설계하고 관리할 수 있습니다. 이러한 기능은 테스터의 처리량에 영향을 미치지 않으면서 각 시스템의 비용을 절감합니다.

NI의 소프트웨어 솔루션은 개방성과 혁신을 증진하기 위해 설계되었습니다. 테스트 엔지니어는 비즈니스 요구사항에 맞게 자유롭게 사용자 정의할 수 있습니다. 맞춤형 대시보드를 생성하거나 오픈 소스 데이터베이스를 활용하거나 적절한 프로토콜과 알고리즘을 프로그래밍하든 상관없이 NI는 제약으로 인해 생산 라인의 속도를 늦추지 않습니다. 

대부분의 경우 경쟁업체는 소프트웨어 사용자 정의를 수용하지 않습니다. 해당 업체에서 소프트웨어 사용자 정의를 수용하더라도 사용자 정의를 구현하기 위해서는 업체에 의존하게 되고 이로 인해 독자적인 프로토콜, 혁신에 소요되는 시간, 고객 납품에 문제가 생길 수 있습니다. NI 소프트웨어를 사용하면 테스트 엔지니어가 NI에 문의하지 않고도 사용자 정의를 구현할 수 있습니다. 

데이터 분석 

테스트 범위를 확장하고 테스트를 더 빠르게 실행하는 것은 데이터를 모니터링, 관리 및 분석하는 능력만큼 중요합니다. NI의 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션은 통합된 언어로 조화롭게 작동하도록 통합 및 개발되므로 데이터가 '합격' 또는 '불합격'이라는 초기 목적 이상의 가치를 창출할 수 있습니다. 

스마트 커넥티드 테스트 시스템을 사용하면 생산업체에서는 수율을 높이고 품질 문제를 최소화할 수 있습니다. 하나의 셀에서 얻은 인사이트를 전체 생산 현장에서 얻은 인사이트와 결합할 수 있습니다. 배터리 수명 주기 전반에 걸쳐 지속적인 테스트를 수행하면 테스트 결과가 갑자기 저하되는지 여부를 알 수 있으므로 즉각적인 조사가 가능하고 작업에 인사이트를 적용할 수 있습니다.

주요 제조업체는 제조 프로세스 전반에서 테스트 데이터를 수집하고 AI 및 ML을 사용하여 추세를 파악하고 있습니다. 이러한 모델링은 각 제조업체가 공정과 방법을 최적화하고 궁극적으로 고품질 배터리 셀을 생산하기 위한 비법이 되고 있습니다. 생산업체가 독자적인 모델을 사용하여 테스트를 경쟁력으로 삼으려고 할 때 NI의 솔루션은 하이퍼 오토메이션을 위한 든든한 지원군입니다.

전기 자동차와 재생 에너지 기술의 발전으로 보다 효율적이고 효과적인 배터리 셀 생산에 대한 필요성이 커지고 있지만 배터리 생산 자체는 쉬운 일이 아닙니다. 비용, 품질 및 성능을 향상시키면서 배터리 생산량을 늘리는 것은 획기적인 솔루션을 통해서만 가능합니다. 

NI는 끊임없이 변화하는 업계의 요구 사항에 부합하는 솔루션으로 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 고급 측정 시스템을 통해 제조업체는 셀의 내부 작동을 이해하고 글로벌 수요를 지원하는 데 필요한 개선을 추진할 수 있습니다. 

NI는 테스트 시스템 기술의 최전선에 서서 고객이 목표를 달성하고 Engineer Ambitiously를 실현할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. NI와 협력해 치열하게 경쟁하며 빠르게 진화하는 시장에서 테스트를 전략적 이점으로 삼아보십시오. 

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