[국내논문]유도 가열 접합 시스템을 이용한 대용량 이차전지 전극의 접합 방법 및 특성 Electrode bonding method and characteristic of high density rechargeable battery using induction heating system원문보기
김은민
(Research and Development Team, Sangyoung Research and New Development)
,
김신효
(Research and Development Team, Korea Ship Safety Technology Authority)
,
홍원희
(Shinhwa Industry Hi-Tech Co. LTD.)
,
조대권
(Research and Development Team, Sangyoung Research and New Development, Kyungnam College of Information)
본 연구에서는 최근, 전기자동차 및 소형 레저용 선박을 중심으로 연구가 진행 중인, 대용량 이차전지의 용량 증대를 위하여 필요한 내부 전극 접합 기술에 관하여 연구하였다. 종래의 초음파 용접으로 적층할 수 있는 적층 량의 한계를 극복하기 위한 방안으로 전극 소재에 직접 가열을 통한 용접 방법이 아닌 용가재 금속을 적용하여 전극을 접합시켜, 통전성과 인장강도를 증대시킴과 동시에 열적요인으로 인한 전극표면에 화학적 활성물질의 변성을 최소화 할 수 있는 저온 접합 방법에 대하여 연구하였다. 부연하여 현재 일반적으로 적용되고 있는 초음파 용접 및 저항 용접은 전극을 다량 적층 접합 시켰을 경우 일정한 전기 전도성과 접합 강도를 구현하기 힘들다. 용접을 위하여 무리하게 출력을 상승시킬 경우 용접열의 영향으로 전극의 변형 및 활성물질의 변성을 야기함과 동시에 최종 페키징(packaging) 이후 출력저하, 발열 등, 배터리의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 고주파 유도가열을 통한 유도 가열 방식의 접합 방법과 용융 도금을 통한 용가재 금속의 전처리를 통한 종래와는 차별화된 전극접합 방법을 소개한다.
본 연구에서는 최근, 전기자동차 및 소형 레저용 선박을 중심으로 연구가 진행 중인, 대용량 이차전지의 용량 증대를 위하여 필요한 내부 전극 접합 기술에 관하여 연구하였다. 종래의 초음파 용접으로 적층할 수 있는 적층 량의 한계를 극복하기 위한 방안으로 전극 소재에 직접 가열을 통한 용접 방법이 아닌 용가재 금속을 적용하여 전극을 접합시켜, 통전성과 인장강도를 증대시킴과 동시에 열적요인으로 인한 전극표면에 화학적 활성물질의 변성을 최소화 할 수 있는 저온 접합 방법에 대하여 연구하였다. 부연하여 현재 일반적으로 적용되고 있는 초음파 용접 및 저항 용접은 전극을 다량 적층 접합 시켰을 경우 일정한 전기 전도성과 접합 강도를 구현하기 힘들다. 용접을 위하여 무리하게 출력을 상승시킬 경우 용접열의 영향으로 전극의 변형 및 활성물질의 변성을 야기함과 동시에 최종 페키징(packaging) 이후 출력저하, 발열 등, 배터리의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 고주파 유도가열을 통한 유도 가열 방식의 접합 방법과 용융 도금을 통한 용가재 금속의 전처리를 통한 종래와는 차별화된 전극접합 방법을 소개한다.
In this study, electrode bonding technology needed for high density of rechargeable battery is studied, which is recently researched for electric vehicle, the small leisure vessel. For the alternative overcoming the limit of stacking amount able to be stacked by conventional ultrasonic welding, the ...
In this study, electrode bonding technology needed for high density of rechargeable battery is studied, which is recently researched for electric vehicle, the small leisure vessel. For the alternative overcoming the limit of stacking amount able to be stacked by conventional ultrasonic welding, the low temperature bonding method, eligible for minimum of degeneration of chemical activator on the electrode surface which is generated by thermal effect as well as the increase of conductivity and tension strength caused by electrode bonding using filler metal, not using conventional direct heating on the electrode material method, is studied. Specifically to say, recently used more generally the ultrasonic welding and spot welding method are not usable for satisfying stable electric conductivity and bonding strength when much electrode is stacking bonded. If the electrical power is unreasonably increased for the welding, due to the effect of welding temperature, deformation of electrode and activating material degeneration are caused, and after the last packaging, decline of electrical output and generating heat cause to reduce stability of battery. Therefore, in this study, induction heating system bonding method using high frequency heating and differentiated electrode method using filler metal pre-treatment of hot dipping are introduced.
In this study, electrode bonding technology needed for high density of rechargeable battery is studied, which is recently researched for electric vehicle, the small leisure vessel. For the alternative overcoming the limit of stacking amount able to be stacked by conventional ultrasonic welding, the low temperature bonding method, eligible for minimum of degeneration of chemical activator on the electrode surface which is generated by thermal effect as well as the increase of conductivity and tension strength caused by electrode bonding using filler metal, not using conventional direct heating on the electrode material method, is studied. Specifically to say, recently used more generally the ultrasonic welding and spot welding method are not usable for satisfying stable electric conductivity and bonding strength when much electrode is stacking bonded. If the electrical power is unreasonably increased for the welding, due to the effect of welding temperature, deformation of electrode and activating material degeneration are caused, and after the last packaging, decline of electrical output and generating heat cause to reduce stability of battery. Therefore, in this study, induction heating system bonding method using high frequency heating and differentiated electrode method using filler metal pre-treatment of hot dipping are introduced.
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가설 설정
(가) 모재의 융점 이내에서 작업함으로 이차전지에 열의 영향을 최소화 할 수 있다.
(라) 접합의 면적, 젖음성, 흐름성이 일정하여 전기 전도도가 안정적이다.
제안 방법
이에 본 연구에서는 대용량 이차전지의 적용에 있어 내부 전극의 다량 적층 접합에, 현 초음파 용접 및 spot 용접이 가지는 일부 기술적 어려움을 고주파 유도 가열 방식의 접합 시스템과 내부 전극의 부분 표면처리를 통해 높은 인성과 안정적인 전기전도성을 구현 하였다.
이를 해소할 방법으로 종래와는 달리 모재인 동 포일을 직접 가열, 용접하는 방식이 아닌 외부에서 열과 압력을 가하고, 동이 용융되는 온도보다 현격히 낮은 온도에서 용융이 가능한 매개 금속을 이용하여 동 포일을 접합하는 기술에 대한 연구를 진행하였으며, 이를 구현하기 위해서는 순간적으로 강한 열이 발생함과 동시에 일정수준 이상의 압력을 동반과 모재에 도핑 된 양극, 음극 활성물질의 변성을 유발하지 않도록 최대한 빠른 시간 내에 적용이 가능한 압축장치가 필요한데, 구조적으로 저항성 가열로는 그 메커니즘(mechanism)을 확보하기가 어려운 것이 사실이었다. 따라서 고안한 것이 본 연구에서 소개하는 유도가열 접합시스템으로 Figure 1의 개념도에서와 같이 압력이 가해지는 압착 부를 가열함과 동시에 압력을 전달할 수 있는 기계적 시스템과 연동할 수 있는 구조로써, 가장 큰 특징은 동력 및 제어시스템과 배선 등으로 연결되어야 하는 종래의 저항성 가열기 등과는 달리 완벽하게 기계적 요소와 전자기적 요소(Electro magnetic elements)가 분리(자기적으로 결합) 가능하다는 특징이 있어 구성 측면에서 기계적 요소와 전기/전자적 구성요소간의 공간적 분리를 통하여 기계부 설계의 자유도를 증대시키고 누설전류 및 절연파괴와 같은 안전문제에 있어도 유리한 측면이 있다.
본 연구에서는 두 개의 압착로드(Press rod)를 가열하여 모재를 가압 가열 하는 방식의 유도가열 접합 장치로 Push-pull topology의 유도가열 인버터(inverter)를 적용하였으며 Figure 2에 도시한 것 같이 기어방식으로 각 압착 로드에 압력을 전달하는 구조로 실험을 위하여 간소하게 제작하였다.
82uF로 배열하여 병렬 접속하였다. 해당 공진탱크의 공진주파수는 약40kHz(운전주파수, Figure 4) 이며 코일의 발열로 인하여 제정수의 변동을 최소화하기 위하여 Figure 5와 같이 실험용 인버터를 제작하고, 수랭식 냉각장치를 적용하였다. 정격은 작업자의 안전과 시스템 설계의 용이성을 고려하여 24Vdc 링크전압에 최대전류 100A로 약 2kw급으로 설계하였으며, 실재 안정구동 범위는 1kw 내외에서 이루어지도록 작업하였다.
해당 공진탱크의 공진주파수는 약40kHz(운전주파수, Figure 4) 이며 코일의 발열로 인하여 제정수의 변동을 최소화하기 위하여 Figure 5와 같이 실험용 인버터를 제작하고, 수랭식 냉각장치를 적용하였다. 정격은 작업자의 안전과 시스템 설계의 용이성을 고려하여 24Vdc 링크전압에 최대전류 100A로 약 2kw급으로 설계하였으며, 실재 안정구동 범위는 1kw 내외에서 이루어지도록 작업하였다.
인버터 시스템은 제어부, 파워스테이지(power stage), 리니어레귤레이터(linear regulator) 및 인버터부 모두를 통합컨트롤 박스에 실장 하는 형태로 추가적 연구 시에도 응용할 수 있도록 각각 모듈화 하여 제작하였다.
접합 후 공기 중에서 충분히 냉각하고 냉각된 후에 전기저항을 측정하여 통전에 대한 안정성을 평가한다.
표면 처리 및 cutting 완료 된 재료를 각 20장, 30장 씩 적층하여 고주파 유도가열 접합을 실시하고 기존의 용접 방식과 비교하여, 기술적 장단점을 분석한다.
용가재의 도포는 단시간에 일정 두께 이상 전착 가능한 용융 도금을 적용하여 10~13μm 의 도금 두께를 확보하였다.
95%Cu을 사용하였고, 접합에 필요한 용가재(filler metal)는 주석(Sn)을 사용하였다. 용가재의 적용방법은 공정을 최소화 할 수 있고 자동화가 용이한, 표면 처리에 의한 용가재 우선 도포 방식을 적용하였다. 용가재의 도포는 단시간에 일정 두께 이상 전착 가능한 용융 도금을 적용하여 10~13μm 의 도금 두께를 확보하였다.
용가재의 도포는 단시간에 일정 두께 이상 전착 가능한 용융 도금을 적용하여 10~13μm 의 도금 두께를 확보하였다. 도금 전, 모재에 젖음 성과 접착성 향상을 위한 구연산(시트르산- citric acid) 계열의 모재 flux를 사용하였다. 도금 조의 온도는 300℃를 유지하고 침지시간은 3~5초 유지하였다.
이후 각 시료는 push-pull-scale과 인장 시험기를 사용하여 접합 강도를 확인한다. 또한 접합 강도는 각 층마다 인장강도를 측정하여, 접합의 균일성을 확인한다.
실험은 점용접으로 제작한 내부 전극과 고주파 유도 가열 접합으로 제작한 전극을 각각 push-pull-scale과 인장 강도 시험기를 사용하여 인장 시험하였다. 실험에서 적용된 시료는 모두 가로 20mm 세로 10mm의 접합 면적을 유지 하였고 인장속도는 분당 1mm의 속도를 유지 하였다.
공진탱크는 Lm1, Lm2 각각 4mm 동 파이프를 사용하여 직경 30mm, 10턴(turns), 1.6uH로 설계하였고, 공진 capacitor C1은 2.82uF로 배열하여 병렬 접속하였다. 해당 공진탱크의 공진주파수는 약40kHz(운전주파수, Figure 4) 이며 코일의 발열로 인하여 제정수의 변동을 최소화하기 위하여 Figure 5와 같이 실험용 인버터를 제작하고, 수랭식 냉각장치를 적용하였다.
통전성 평가 시 재료의 각 적층마다 접합이 일정한지 확인하기 위하여 각각의 전기 저항을 측정하고 결과를 기존의 용접법과 비교한다. 이후 각 시료는 push-pull-scale과 인장 시험기를 사용하여 접합 강도를 확인한다. 또한 접합 강도는 각 층마다 인장강도를 측정하여, 접합의 균일성을 확인한다.
대상 데이터
내부 전극 판의 재료로 사용되는 동(Cu)은 전기전도성이 우수한 전해인성동(ETP) 99.95%Cu을 사용하였고, 접합에 필요한 용가재(filler metal)는 주석(Sn)을 사용하였다.
도금의 두께는 10~13μm 이내에서 일정한 도금 두께를 확보한 시편을 선별하였고, 도금 두께의 확인은 마이크로미터를 사용하여 확인 후 샘플링 하여 Figure 6와 같이 광학현미경을 사용하여 두께를 측정 하였다.
실험은 점용접으로 제작한 내부 전극과 고주파 유도 가열 접합으로 제작한 전극을 각각 push-pull-scale과 인장 강도 시험기를 사용하여 인장 시험하였다. 실험에서 적용된 시료는 모두 가로 20mm 세로 10mm의 접합 면적을 유지 하였고 인장속도는 분당 1mm의 속도를 유지 하였다.
데이터처리
통전성 평가 시 재료의 각 적층마다 접합이 일정한지 확인하기 위하여 각각의 전기 저항을 측정하고 결과를 기존의 용접법과 비교한다.
성능/효과
실험 결과 고주파 유도 가열 접합을 이용한 내부 전극 접합 시 적층의 내부와 외부 관계없이 일정한 저항치(3.0~3.5mΩ)를 유지 했고, 이는 모든 층에서 일정한 접합이 확보되었음을 의미한다.
40mm로 전체 길이가 같은 두 시료에서 유도 가열 접합은 도금으로 인해 단면적이 상승한 반면, 상대적으로 도전율이 낮은 주석이 전체 전도성에 관여한다. 실험 결과 전체 전도성에는 재료적 요인이 더 큰 인자로 작용 하였지만, 전체적으로 상당히 낮은 저항을 유지하여, 높은 전기 전도에서도 이차전지의 안정성을 유지 할 수 있다.
실험결과 적용된 박막의 경우 접합의 프로세스가 인장 강도 면에서 점용접에 비해 우수하였다.
이상과 같은 실험을 통해 대용량, 고효율 이차전지의 내부전극 접합기술로 고주파 유도 가열 접합 기술이 기존의 압접 용접들에 비하여 일부 우수함을 보였다. 물론 기존 기술에 비하여 공정수가 증가하고 재료비용이 추가되지만, 이차전지의 대용량화를 위한 단자 적층기술로 기존 용접에 비하여 다음의 장점을 가진다.
후속연구
이런 의미에서 재료의 강도를 상승시키기 위한 강화 기구들은 대부분 전위의 이동을 방해 하는 작용을 통해 재료를 강화 시키는데, 이런 프로세스가 전기전도성의 하락을 가져오게 된다[14]. 즉 향후 이차전지가 더욱 더 대용량화되면, 접합 강도의 상승과 전기전도성의 확보 사이에서 균형적인 재료 선정이 필요하게 될 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유도가열을 이용한 접합시스템의 문제점은 무엇인가?
유도가열을 이용한 접합시스템의 원리는 모재를 직접 가열하지 않고 비교적 저온에서 매개금속을 이용하여 배터리의 내부전극으로 사용되어지는 동 포일(Cu foil)을 접합시키는 방법으로 종래의 직접 가열방식으로 다량의 모재를 용접 시 과열로 인한 다량적층에 문제가 있었으며, 적층깊이에 따른 인장강도, 접촉저항이 일정하지 않은 문제가 있었다. 따라서 이를 해소하기 위해서는 종래에 가장 많이 적용되어온 초음파 혼입용접 방식보다 현격히 낮은 온도에서 접착이 일어남과 동시에 깊이에 따른 접착면의 균일성 확보가 무엇보다 중요한 문제였다.
유도가열을 이용한 접합시스템의 원리는 무엇인가?
유도가열을 이용한 접합시스템의 원리는 모재를 직접 가열하지 않고 비교적 저온에서 매개금속을 이용하여 배터리의 내부전극으로 사용되어지는 동 포일(Cu foil)을 접합시키는 방법으로 종래의 직접 가열방식으로 다량의 모재를 용접 시 과열로 인한 다량적층에 문제가 있었으며, 적층깊이에 따른 인장강도, 접촉저항이 일정하지 않은 문제가 있었다. 따라서 이를 해소하기 위해서는 종래에 가장 많이 적용되어온 초음파 혼입용접 방식보다 현격히 낮은 온도에서 접착이 일어남과 동시에 깊이에 따른 접착면의 균일성 확보가 무엇보다 중요한 문제였다.
내부 전극 판의 접합 시 너무 높은 저항을 가지면 어떤 현상이 발생하는가?
전류의 통전은 이차전지의 효율과 안정적인 충전, 방전을 확보하기 위한 첫 번째 지표로, 전류의통전 시 전극 판 접합부에서 소모되는 전류의 양을 최소화하기 위하여 단자 저항이 낮을수록 안정하고 효율적이라 할 수 있다. 또한 전극 판의 접합이 너무 높은 저항을 가지면 입력, 출력 시 전류의유량에 의해 열이 발생하고, 발생한 열이 이차전지의 안정성을 저해한다. 때문에 내부 전극 판의 접합 시 가장 중요한 인자는 전기 저항을 얼마나 낮고 일정하게 유지 시킬 수 있는 지에 따라 성능이 좌우 된다.
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