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리튬 이온 배터리의 생산과 검사：내부저항검사

리튬 이온 배터리의 내부저항검사란?

배터리의 내부저항은 제로인 것이 이상적이지만 여러가지 요인들로 인해 내부저항이 존재합니다. 배터리가 열화되면 내부저항이 커지게 됩니다. 배터리셀의 생산라인에서는 양품과 검사품의 내부저항을 비교해 불량품을 검출합니다.

어느 타이밍에서 검사를 실시하는가?

배터리셀에 전해액을 주액하고, 조립이 완료된 후의 각 공정 (충방전 시험, 에이징 시험, 출하 검사 등)에서 내부저항검사를 실시합니다.

내부저항의 측정방법

내부저항의 측정방법에는 "교류법(AC-IR)"과 "직류법(DC-IR)"의 2가지가 있습니다. 생산라인의 검사에는 교류법이 적합합니다. 여기서는 "교류법(AC-IR)"에 대해 소개합니다.
교류법에서는 배터리셀의 내부저항을 측정하는 경우, 저저항 측정에 특화된 교류저항계(배터리 테스터)를 사용합니다. 교류저항계는 검사대상에 정전류의 교류신호를 인가합니다. 정전류를 인가했을 때에 발생하는 미소전압을 검출해 저항값을 산출합니다.

저항계에는 "교류저항계"와 "직류저항계"가 있습니다. 기전력이 있는 배터리는 직류저항계로는 측정할 수 없습니다.
직류식과 교류식 저항계의 차이는?

-교류법(AC-IR)과 직류법(DC-IR) : 설비 구성에 따라 측정방법이 다름
-교류저항계와 직류저항계 : 검사대상에 인가하는 측정신호가 교류인지 직류인지에 따라 측정방법이 다름

교류저항계 (배터리 테스터)의 선정 포인트

배터리셀의 내부저항검사가 목적인 경우,"저저항을 정확하게 측정할 수 있는 것" 이 중요합니다.
(배터리셀은 대형일수록 내부저항이 작아집니다. 자동차에 탑재되는 배터리셀의 경우, 내부저항은 1 mΩ을 밑돕니다.)
선정 포인트는 다음과 같습니다.
· 4단자법
· 측정 레인지와 분해능
· 노이즈 내성
· 측정 전류의 주파수
4단자법
1Ω 이하의 저저항을 측정하는 경우, 4단자법으로 내부저항을 측정합니다. 저항의 측정방법에는 "4단자법"과 "2단자법"이 있습니다.
2단자법의 측정값은 배선저항과 접촉저항과 같은 "경로저항"을 포함하기 때문에 mΩ 단위의 저저항을 정확하게 측정할 수 없습니다.
4단자 저항 측정법에 대해서

검출 전압 = 정전류 × (배터리의 내부저항 + 접촉저항 + 배선저항 ）
검출 전압으로부터 저항값을 산출, 여분의 저항성분을 포함

검출 전압 = 정전류 × 배터리의 내부저항
검출 전압으로부터 저항값을 산출, 여분의 저항성분을 미포함
측정 레인지와 분해능
1Ω 이하의 저저항을 측정하는 경우, “mΩ 단위의 측정 레인지”와 “μΩ 단위의 분해능”이 필요합니다. 레인지와 분해능의 설정을 잘못하면 mΩ 단위의 저저항이 정확하게 측정되지 않습니다.
노이즈 내성
사양에서 측정 레인지 ・ 분해능 ・ 측정 정확도가 좋더라도 저항값을 정확하게 측정할 수 없는 경우가 있습니다. 노이즈에 의해 측정값이 안정되지 않거나, 정확한 값이 표시되지 않는 등의 트러블이 발생하기 때문입니다. (노이즈의 발생원은 전원 및 생산기기 등 다양합니다.) 제품 설계 시에 노이즈를 제품에 인가해 정상적으로 동작하는지 테스트합니다. 이러한 테스트를 실시하지 않은 제품은 생산라인에서 측정 사양을 만족하지 않을 우려가 있습니다.

측정전류의 주파수
교류저항계（배터리 테스터）는 검사대상에 정전류의 교류신호를 인가합니다. 이 교류신호는 일반적으로 1 kHz의 고정 주파수입니다.
주파수를 가변할 수 있는 제품도 있습니다. 주파수를 스윕해 측정한 임피던스에서 Nyquist 플롯을 작성하면 배터리의 내부저항을 “확산저항” “반응저항” “전해액저항” 등의 요소로 구분하여 파악할 수 있습니다. 최근에는 불량품의 검출 레벨을 높이기 위해서 여러 주파수에서 내부저항검사를 실시하는 케이스도 늘어나고 있습니다.

HIOKI 배터리 테스터

당사 배터리 테스터는 세계 각국의 배터리 제조사에서 사용되고 있습니다.
배터리셀 생산공정의 내부저항검사에 채택된 주요 모델은 다음과 같습니다.
제품 형명 BT3561A BT3562A BT4560
측정 방식 교류４단자법 교류４단자법 교류４단자페어법(*1)
측정 레인지 /분해능 - - 3.1000 mΩ 0.1 μΩ 3.6000 mΩ 0.1 μΩ
31.000 mΩ 1 μΩ 31.000 mΩ 1 μΩ 12.0000 mΩ 0.1 μΩ
310.00 mΩ 10 μΩ 310.00 mΩ 10 μΩ 120.000 mΩ 1 μΩ
3.1000 Ω 100 μΩ 3.1000 Ω 100 μΩ －(*2) －(*2)
31.000 Ω 1 mΩ 31.000 Ω 1 mΩ － (*2) －(*2)
310.00 Ω 10 mΩ 310.00 Ω 10 mΩ － －
3.1000 kΩ 100 mΩ 3.1000 kΩ 100 mΩ － －
CE대응 ○ ○ ○
CSA대응 ○ ○ 취득 예정
측정 전류 주파수 1 kHz ±0.2 Hz 1 kHz ±0.2 Hz 0.10 Hz ~ 1050 Hz (*3)
개방전압 측정 (*4) ○ ○ ○
*1 : 변환 플러그로 4단자법에 의한 측정도 가능
*2 : 특주로 3 Ω , 30 Ω 레인지 대응 가능
*3 : 특주로 0.01 Hz부터 10 kHz 대응 가능
*4 : 배터리 테스터는 내부저항과 동시에 개방전압을 측정할 수 있습니다.