프로토타입 리튬 배터리는 누액, 파열, 화재, 폭발 및 구조적 무결성 상실에 견디는지 확인하기 위해 통제된 환경 및 기계적 가혹 조건에 노출되어야 합니다. 주요 평가는 열 사이클 및 열 충격, 고온 보관, 저압 및 고압 노출, 진동, 기계적 충격 또는 impact, 압궤, 천공, 그리고 일부 인증 프로그램에서의 화염 및 침수 시험을 포함합니다. 정확한 온도, 힘, 지속 시간 및 합격/불합격 기준은 적용되는 표준, 셀 형식, 화학 조성 및 사용 목적에 따라 달라집니다.
실험실 안전 시험은 배터리가 작동, 운송, 오용 및 고장 중에 겪을 수 있는 환경적·기계적 스트레스를 재현해야 합니다. 목적은 정상적인 성능을 확인하는 데 그치지 않고, 셀이 가열되거나 감압되거나 압궤되거나 진동하거나 충격을 받거나 내부 단락이 발생했을 때 통제된 상태를 유지하는지 입증하는 것입니다.
배터리가 견뎌야 하는 환경 조건
열 사이클 및 열 충격
셀은 씰, 용접부, 분리막, 전극 및 패키징의 취약점을 드러내기 위해 저온과 고온 사이를 반복적으로 전환합니다. 인증 프로그램에서는 급격한 전환을 통해 열-기계적 스트레스를 유발하도록 −40°C에서 70°C와 같은 범위를 사용할 수 있습니다.
열 충격은 서로 다른 셀 소재가 서로 다른 속도로 팽창하고 수축하기 때문에 느린 온도 변화보다 더 가혹합니다. 시험 중에는 전압, 온도, 누액, 변형, 벤팅 및 기타 손상 징후를 모니터링해야 합니다.
고온 노출
완전히 충전되었거나 사전 조건화된 셀은 높은 주변 온도에서 유지되거나 통제된 가열 시험에 배치될 수 있습니다. 예를 들어 약 55°C에서 수 주간 보관하거나 모듈 수준의 가혹 시험을 위해 약 130°C까지 가열하는 방식이 있습니다.
이러한 시험은 가속 노화, 씰 내구성, 가스 발생, 열 안정성 및 열 폭주 가능성을 평가합니다. 고온 보관은 자체 방전 증가와 장기적인 용량 손실을 확인하는 데에도 중요합니다.
저압 및 고도 시뮬레이션
셀은 항공 운송 또는 고고도 작동을 시뮬레이션하기 위해 감압 상태에 노출될 수 있습니다. 대표적인 인증 조건에는 프로토콜에 따라 약 11.6 kPa에서 6시간 또는 15,000미터에 가까운 고도를 시뮬레이션하는 조건이 포함됩니다.
압력 시험은 불충분한 밀봉, 전해질 누출, 벤트 오작동 및 외함의 취약성을 드러내기 위한 것입니다. 또한 외부 압력 감소로 인해 팽창 또는 파열 위험이 증가하는지 판단하는 데 도움이 됩니다.
고압 노출
일부 고신뢰성 배터리 프로그램에서는 약 90~120 psi의 외부 압력을 가합니다. 이를 통해 외함, 씰, 벤트 및 내부 구조의 기계적 견고성을 평가합니다.
이 시험은 배터리가 가압 시스템에서 작동하거나 취급 및 배치 과정에서 압력 변화를 겪을 수 있는 경우에 특히 중요합니다.
화염, 침수 및 기타 환경 노출
일부 안전 프로그램에는 셀이 직접적인 열 가혹 조건에서 점화되거나 화재를 전파하거나 파열되는지를 평가하기 위한 개방 화염 노출이 포함됩니다. 모듈 수준 시험에는 정의된 시간 동안 3.5% 염화나트륨 용액에 노출하는 해수 침수가 포함될 수도 있습니다.
이러한 시험은 모든 프로토타입에 보편적으로 적용되는 것이 아니라 용도와 표준에 따라 달라집니다. 배터리의 운송 분류, 설치 환경 및 사용 목적에 따라 선택해야 합니다.
평가해야 하는 기계적 조건
압궤 및 변형
압궤 시험은 일반적으로 정의된 플레이트 형상과 지정된 속도를 사용하여 셀 또는 모듈에 통제된 힘을 가합니다. 대표적인 모듈 시험 절차에서는 반원통형 플레이트를 사용하고, 30%와 같은 정의된 변형률 또는 지정된 힘에 도달할 때까지 시험을 지속합니다.
압궤는 분리막을 손상시키고 전극층을 붕괴시키며 내부 단락을 일으킬 수 있습니다. 주요 안전 기준은 일반적으로 화재 및 폭발이 없을 것이며, 누액, 벤팅, 변형 및 온도에 대한 문서화된 기준도 함께 적용됩니다.
진동
셀을 진동 플랫폼에 장착하고 통제된 정현파 또는 광대역 주파수 진동에 노출합니다. 대표적인 프로그램은 약 5~5,000 Hz를 포함할 수 있으며, 다른 절차에서는 각 축을 따라 고정된 사이클을 지정합니다.
진동 시험은 용접부, 단자, 집전체, 씰, 내부 지지대 및 팩 상호 연결부를 평가합니다. 전기 시험을 통과한 셀이라도 진동 시험에서 실패하면 간헐적 연결, 내부 마모, 누액 또는 결국 내부 단락이 발생할 수 있습니다.
기계적 충격 및 충돌
충격 시험은 낙하, 취급 중 사건, 차량 이동 또는 장비 충격을 재현하기 위해 급격한 가속도를 가합니다. 고신뢰성 인증 프로그램에서는 사용 목적에 따라 최대 1,000 g에 이르는 높은 충격을 사용할 수 있습니다.
시험에서는 셀이 구조적 무결성을 유지하고 지연 고장이 발생하지 않는지 확인해야 합니다. 손상이 즉시 눈에 띄는 누액이나 비정상적인 전압으로 나타나지 않을 수 있으므로 시험 후 점검이 중요합니다.
천공 및 못 관통
강철 핀 또는 못을 셀에 관통시켜 심각한 내부 단락을 강제로 발생시킵니다. 대표적인 절차에서는 정해진 핀 직경과 관통 속도를 사용하며, 경우에 따라 지정된 시간 동안 핀을 그대로 둡니다.
이 시험은 분리막 파손, 국부적 발열, 가스 방출 및 셀이 열 전파를 제한하는 능력을 평가합니다. 일반적으로 기대되는 안전 결과는 폭발 또는 화재가 없을 것이지만, 셀은 영구적으로 손상될 수 있습니다.
낙하 및 취급 가혹 시험
낙하 시험은 운송 또는 취급 중 발생할 수 있는 우발적 충격을 재현하기 위해 표준 및 인증 프로그램에서 사용됩니다. 보다 국부적이고 불규칙한 기계적 사건을 가함으로써 진동 및 충격 시험을 보완합니다.
평가에는 외함 균열, 단자 변형, 누액, 내부 저항 변화 및 전기적 절연 상실과 같은 즉각적 영향과 지연 영향을 모두 포함해야 합니다.
이러한 시험을 함께 수행하는 이유
환경적 스트레스와 기계적 스트레스는 상호작용합니다
열로 약화된 배터리는 압궤나 천공에 더 취약할 수 있습니다. 마찬가지로 진동은 결함을 발생시킬 수 있으며, 이 결함은 셀이 나중에 고온이나 급속 방전에 노출될 때에만 위험해질 수 있습니다.
따라서 프로토타입 인증에서는 각 시험을 서로 독립적인 체크 항목으로 취급해서는 안 됩니다. 시험 순서, 사전 조건화, 충전 상태 및 시험 후 검사가 결과에 실질적인 영향을 미칠 수 있습니다.
계측은 안전 시험의 일부입니다
실험실 시스템은 셀 전압, 표면 온도, 전류, 해당되는 경우 압력, 변형 및 눈에 보이는 고장 현상을 실시간으로 기록해야 합니다. 위험한 조건을 중단하고 보호 장치가 의도된 임계값 내에서 작동하는지 확인하려면 보호 감시 회로와 시험 지그가 필요합니다.
환경 챔버, 진동 시스템, 압궤 지그 및 천공 장비는 셀의 에너지 수준과 고장 모드에 맞게 선택해야 합니다. 고율 셀은 상당한 열과 가스 압력을 발생시킬 수 있으므로 시험에는 적절한 차폐, 환기, 원격 작동 및 비상 제어 장치가 필요합니다.
표준은 시험 범위를 정의합니다
일반적인 참조 체계에는 1차 리튬 배터리에 대한 IEC 60086-4, 이차 전지에 대한 IEC 61960, 그리고 UN 38.3, IEC 62133, UL 2054 및 GB 31241과 같은 용도 또는 운송 표준이 포함됩니다.
이러한 표준이 모두 동일한 절차를 요구하는 것은 아닙니다. 실험실은 특정 화학 조성, 셀 또는 모듈 구성, 시장 및 운송 분류에 적용되는 표준의 판과 시험 방법을 사용해야 합니다.
트레이드오프 이해하기
가혹한 시험은 통제되지 않은 시험과 다릅니다
가혹 조건은 고장 모드를 드러낼 수 있을 만큼 충분히 엄격해야 하지만, 반복 가능하고 측정 가능해야 합니다. 통제되지 않은 시험은 장비를 손상시키거나 고장 메커니즘을 불분명하게 만들거나 인증 신뢰도를 높이지 못한 채 불필요한 위험을 초래할 수 있습니다.
셀, 모듈 및 팩 시험은 서로 다릅니다
셀은 천공 또는 압궤 시험을 통과하더라도 인접 셀 간 전파로 인해 모듈은 실패할 수 있습니다. 반대로 팩 수준의 보호 전자 장치는 개별 셀 수준에서 방지할 수 없는 전기적 고장을 차단할 수 있습니다.
따라서 시험은 배터리가 사용될 수준, 즉 관련되는 경우 셀, 모듈 및 완전한 팩 수준을 모두 포함해야 합니다.
한 가지 시험의 통과만으로 전체 안전성이 입증되지는 않습니다
열 사이클 시험이 압궤 시험을 대체할 수 없고, 진동 시험이 압력 시험을 대체할 수도 없습니다. 각 시험은 서로 다른 취약점을 대상으로 하므로 신뢰할 수 있는 인증 계획에서는 하나의 가혹 시험에 의존하지 않고 정의된 시험 매트릭스를 사용해야 합니다.
정확한 매개변수를 일반화해서는 안 됩니다
온도 범위, 압력, 가속도, 관통 속도 및 시험 지속 시간과 같은 값은 대표적인 예시일 뿐 보편적인 요구사항이 아닙니다. 잘못된 절차를 적용하면 유효하지 않은 결과가 나오거나 불필요하게 위험한 시험이 될 수 있습니다.
프로젝트에 적용하는 방법
적용 가능한 표준을 사용하여 정확한 조건을 정의한 다음, 환경 노출과 기계적 가혹 시험을 모두 포함하는 시험 매트릭스를 구축하세요.
- 주요 초점이 셀 안전인 경우: 열 사이클 및 고온 노출, 압력 변화, 압궤, 진동, 충격 및 천공을 우선적으로 수행하고, 화재, 폭발, 누액, 온도 상승 및 전압 변화를 실시간으로 모니터링하세요.
- 주요 초점이 운송 인증인 경우: 저압 고도 시뮬레이션, 진동, 충격, 열 노출 및 UN 38.3 또는 해당 지역 표준에서 요구하는 절차를 중점적으로 수행하세요.
- 주요 초점이 고신뢰성 또는 의료/항공우주 용도인 경우: 장시간 고온 보관, 가혹한 압력 시험, 고중력 충격, 광대역 주파수 진동 및 시험 후 지연 검사을 추가하세요.
- 주요 초점이 모듈 또는 팩 검증인 경우: 셀 간 전파와 외함 성능을 평가하기 위해 기계적 변형, 못 관통, 가열, 진동 및 전기적 보호 기능을 함께 시험하세요.
- 주요 초점이 실험실 안전인 경우: 원격 제어 지그, 환경 챔버, 보호 차폐, 비상 정지 장치 및 급격한 열·전기 현상을 포착할 수 있는 계측 장비를 사용하세요.
잘 설계된 환경 및 기계적 시험 프로그램은 프로토타입 가혹 시험 결과를 배터리가 현실적이고 예상 가능한 스트레스 상황에서도 통제된 상태를 유지할 수 있다는 증거로 전환합니다.
요약 표:
| 시험 유형 | 주요 조건 | 주요 목적 |
|---|---|---|
| 열 사이클 및 충격 | −40°C에서 70°C까지의 사이클, 급격한 전환 | 씰 무결성 및 소재 적합성 평가 |
| 고온 노출 | 최대 130°C, 수 주간 보관 | 열 안정성, 노화 및 가스 발생 평가 |
| 저압/고도 | 11.6 kPa에서 6시간, 고고도 | 밀봉, 누액 및 벤트 기능 확인 |
| 고압 | 90~120 psi | 외함의 견고성 확인 |
| 압궤 및 변형 | 30% 변형 또는 지정된 힘, 반원통형 플레이트 | 내부 단락 시뮬레이션 |
| 진동 | 5~5,000 Hz, 정현파 | 용접부 및 연결부 내구성 시험 |
| 기계적 충격 | 최대 1,000 g | 낙하 및 충격 재현 |
| 천공/못 관통 | 정의된 핀 직경 및 속도 | 강제 내부 단락 |
| 낙하 시험 | 지정된 높이에서 반복 낙하 | 취급 및 운송 시나리오 시뮬레이션 |
| 화염 침수 | 개방 화염, 해수 침수 | 극한 노출 시뮬레이션 |
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