아날로그 테스터의 저항 측정 회로를 아래 그림으로 나타냅니다.

저항 Rx를 측정하기 전에 테스트 리드끼리 단락하여 영점 조정을 실행해 주십시오. 이 조작에 의해 테스터 내부의 저항값을 보정할 수 있습니다.

Rx에 전압이 걸려있는 경우는 단락 사고가 되므로 반드시 확인해 주십시오.

아날로그 테스터는 저항 Rx를 연결했을 때의 전류계 A의 변화로 저항값을 읽을 수 있습니다.

디지털 테스터의 저항 측정 방법은 대부분 2단자 측정법입니다. 일정의 전류를 흐르게 하여 저항 RO의 저항값을 전압계로 읽게 되는데 배선 저항의 r1과 r2를 포함한 저항값을 측정하게 됩니다.

이 영향을 줄이기 위해 저항 RO를 측정하기 전에 테스트 리드를 단락하여 영점 조정을 실행할 필요가 있습니다.

하지만 이 방법으로도 테스트 리드와 측정물과의 접촉 저항의 영향을 배제할 수는 없습니다. 또한 저항 RO의 저항값이 낮으면 정확한 측정을 할 수 없습니다.

4단자 측정법에서는 일정의 전류를 흐르게 하여 회로와 전압계의 회로가 측정 대상의 양단까지 독립되어 있습니다. 4개의 테스트 리드를 확실하게 단락하여 영점 조정을 실행하면 접촉 저항의 영향을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 r1에서 r4의 배선 저항의 영향도 무시할 수 있습니다.

직류 저항을 측정하는 4단자 측정법은 HIOKI 제품의 경우 일부의 벤치압, 디지털 멀티미터와 저항계에만 채용된 측정 방법입니다.

모든 물체에서는 온도에 따른 저항값이 변화합니다. 저항계에서 측정하는 대상이 갖고 있는 온도가 일정하다고는 할 수 없으므로 일률의 검사를 실시하기 위해서는 온도의 영향을 제거할 필요가 있습니다.

저항계에 연결된 온도 센서의 온도값 t에 기준 온도 t0과의 차이를 읽고, 측정한 저항값에 보정을 곱해 표시하는 기능이 저항계의 온도보정 기능입니다.

이 설정에는 저항계에 온도 계수를 설정해야 합니다.

연동선의 경우 0.00393/℃의 계수를 설정합니다. (HIOKI 저항계의 기준 채용값)

물질에 따른 온도 계수의 상세한 사항은 당사 저항계의 사용설명서를 참조해 주십시오.

전선은 길이에 따라 저항값이 변하므로 도체 저항 [Ω/m] 단위가 사용됩니다.

반내 배선에서 사용되는 약전 케이블 AWG24 (0.2sq)의 도체 저항은 0.09 Ω/m 입니다.

배터리 내부의 재료는 전류가 흐르기 쉽도록 금속으로 용접되어 있습니다 . 대전류가 흐르는 파워라인에 용접 불량이 있으면 접속 불량 부분이 발열합니다 . 발열에 의해 배터리의 열화가 가속화되어 발화 및 화재사고로 이어질 우려가 있습니다 . 또한 배터리 외에 , 평각선을 사용한 모터 권선도 용접으로 조립합니다 . 권선의 용접이 불충분하면 에너지 손실이 증가하며, 용접 품질은 모터의 성능을 크게 좌우합니다 .

이처럼 용접 상태의 양불은 배터리와 모터의 품질 · 성능에 크게 영향을 미칩니다 . 용접 상태를 확인하는 방법으로 용접부의 저항 측정이 이용되며 , 용접부가 충분히 낮은 저항이 되도록 용접되어 있는지를 확인하는 것이 중요합니다 .

용접 저항은 매우 낮은 저항입니다 . 용접 상태의 양불 판정에는 0.01 μΩ 오더의 분해능과 높은 측정 정밀도를 겸비한 측정기가 필요한 동시에 저항 측정은 열의 영향을 크게 받습니다 . 용접 후 뜨거운 상태 또는 식는 도중 온도가 불안정한 상태에서도 저항을 정확하게 측정하는 것은 매우 어려운 과제입니다 . 

과제1. 온도에 따라 저항값이 달라져버린다

■저항 온도 계수의 영향

단일 금속 재료인 경우에는 일반적인 온도 계수를 사용할 수 있습니다 . 그러나 두께와 재질이 다른 두 종류의 금속재를 용접한 경우에는 측정 범위에서의 정확한 온도 계수를 알기 어려워 온도 보정 기능을 사용할 때 오차가 발생합니다.

■해결 방안

-측정 대상의 온도가 실온과 비슷해진 후에 측정한다 

-온도를 변화시켜 측정해보며 측정 대상의 정확한 온도 계수를 알아본다

과제2. 열기전력의 영향

저항 측정에서는 측정 대상에 전류를 흘려보내 측정 대상에 발생하는 전압 강하를 검출합니다 . 이 전압을 검출하는 경로에 "열기전력"이 발생하면 측정값에는 오차가 가산되게 됩니다 . 열기전력이란 이종 금속의 연결 부분에 생기는 전위차를 말하며 , 구체적으로는 프로브와 측정 대상이 접촉하는 부분이나 측정기와 측정 리드의 연결 부분에 생깁니다 . 열기전력의 크기는 측정 환경의 온도에 따라서도 다르며 온도차가 클수록 커지게 됩니다 . 일반적으로 측정 리드에는 구리선이 사용되고 커넥터 부분에는 니켈 도금 등이 사용되어 접합 부분의 금속을 동일한 재질로 구성하는 것이 현실적이지 않습니다 . 게다가 측정 프로브의 재질과 측정 대상의 재질이 다르고 프로브와 측정 대상의 온도도 다릅니다 . 특히 버스바처럼 낮은 저항값을 측정할 경우 검출 전압이 매우 작아지기 때문에 열기전력의 영향을 무시할 수 없습니다 . 

■해결 방안

-Offset Voltage Compensation(OVC) 기능을 사용하면 안정적으로 측정할 수 있습니다 .

과제3. 측정 대상이 지닌 전위의 영향(배터리의 경우)

배터리의 용접 저항을 측정할 경우 측정 부분에 전압이 발생할 가능성이 있습니다 . 측정 프로브를 접촉시킬 때 배터리의 전압이 측정기에 인가되어 과전압으로 인해 측정기가 고장날 수 있습니다 . 

■해결 방안

-보호기능을 탑재한 측정기를 사용한다

상세 자료 다운로드(☜클릭)

용접저항 측정에는 측정 시 프로빙도 중요한 포인트가 됩니다 . 측정 대상의 폭과 두께를 고려해 프로빙하는 비법과 용접저항 측정에 적합한 프로브를 선정하는 포인트를 알기 쉽게 설명합니다 . 

 과제1. 측정 포인트(프로빙의 위치)

・측정 대상이 판자나 블록처럼 폭과 두께가 있는 경우

・100 mΩ 을 밑도는 전류 검출 저항기（션트 저항）을 측정하는 경우

이러한 경우 , 클립형 리드로 정확하게 측정하기가 어렵습니다 . 이들을 사용한 경우 , 접촉 위치에 따라 측정값이 수 ％〜수십 ％나 변동할 수 있습니다.

■해결 방안

-전류를 인가하는 SOURCE 단자와 전압을 검출하는 SENSE 단자는 측정 대상에 각각 1 점으로 접촉해 접촉 위치가 변하지 않는 형태가 이상적이다.

 과제2. 4단자 측정의 특성(전위 구배의 영향)

저저항 4 단자 측정에서는 SOURCE 핀과 SENSE 핀의 간격이 짧으면 핀의 근소한 접촉 위치의 차이로 측정값이 크게 달라지게 됩니다 . 이는 전류 인가점(SOURCE 핀）부근의 전위 변화가 크고 전위 구배가 가파르기 때문입니다.

이 영향을 피하려면 SOURCE 핀과 SENSE 핀을 어느 정도 떨어뜨려 측정할 필요가 있습니다.

■해결 방안

-SOURCE 핀과 SENSE 핀을 떨어뜨려 측정한다.

（측정 대상의 폭 또는 두께의 3 배 이상 떼어 놓는 것이 좋다）

 과제3. 외래 노이즈의 영향

측정 전류가 작으면 외래 노이즈의 영향을 받기 쉬워져 측정값이 불안정해질 수 있습니다 .

용접기와 같은 대전류 기기가 주위에 있는 경우에는 기기들에서 발생되는 노이즈가 측정 신호에 혼입되어 측정값에 영향을 주는 경우가 있습니다 . 케이블을 자체 제작할 경우에는 이러한 외래 노이즈의 영향을 막을 수 있는 대책이 필요합니다 .

프로빙 관련 자료 다운로드(☜클릭) 

배터리 테스터（3561, BT3562, BT3563, 3555, BT3554 등）은 측정 주파수 1kHz의 교류 전류 정전류를 할당하고 교류 전압계의 전압계에서 배터리의 내부 저항을 구합니다.  

그림과 같이 배터리의 +극과 -극에 교류 전압계를 연결하는 교류 4단자법에 의해 측정 케이블의 저항이나 접촉 저항의 영향을 억제하고 정확하게 배터리의 내부 저항값을 측정할 수 있습니다.

내부 저항이 수 mΩ인 저저항도 측정 가능합니다.

또한 배터리의 직류 전압 측정(OCV)에서는 정밀도가 높은 측정을 구할 수 있지만 0.01%rdg.의 고정밀도 측정을 가능하게 합니다.

배터리 임피던스 미터 BT4560은 1kHz 이외의 측정 주파수를 설정하여 가변할 수 있기 때문에 코일, 코일 플롯의 측정으로 보다 상세한 내부 저항의 검사가 가능합니다.

또한 배터리의 직류 전압 측정(OCV)에서는 측정 정확도 0.0035%rdg를 실현하고 있습니다.

배터리의 내부 저항((IR : Internal Resistance)과 배터리 전압(OCV : Open Circuit Voltage)을 측정할 수 있는 배터리 테스터의 라인업과 적용할 수 있는 배터리의 종류를 그림에 나타냈습니다.

전기 자동차(EV) 나 하이브리드 자동차(HEV)용 배터리 셀 또는 휴대 기기용 소형 배터리팩에 사용되는 리튬 이온 2차 전지는 내부 저항값이 낮으므로 BT4560 또는 3561이 적합합니다.

배터리 팩 상태(조합 상태의 리툼 이온 2차 전지(Li-ion)）에서는 배터리 전압(OCV)이 높아지므로 BT3562 또는 BT3563를 사용합니다.

그 외 니켈 수소 배터리(Ni-MH), 연축배터리, 니켈 배터리 등 2차 배터리의 내부 저항과 배터리 전압의 측정을 할 수 있으므로 배터리 전압(OCV)에서 배터리 테스터를 선택해 주십시오.

배터리는 필요한 전압을 얻기 위해 복수의 셀을 직렬로 연결하여 필요한 전압을 얻고 있습니다. 이른바 배터리팩 (또는 세트 배터리, 스택 배터리, 배터리 모듈 등)은 셀을 연결하기 위해 탭이나 버스바를 용접하여 연결하고 있습니다.

배터리팩 내부 저항 측정에서는 이 용접 저항도 포함되어 있습니다.

정상적으로 용접되어 있지 않으면 배터리 팩의 성능을 충분히 발휘하지 못하기 때문에 배터리팩 상태인 배터리에 대해서도 배터리 하이테스터로 검사할 것을 권장합니다.

BT3562는 최대 60V까지 배터리팩의 내부 저항을 측정할 수 있습니다. 또한, BT3563는 최대 300V까지 배터리 팩의 내부 저항 측정을 할 수 있습니다. 

배터리의 내부 저항은 일반적으로 크게 오믹 저항(용액 저항), 반응 저항(전하 이동 저항), 확산 저항(바아르부르크 임피던스) 3가지로 나눠져 있습니다.

이것은 일반적으로 콜-콜 플롯(나이키스트 플롯)의 측정에 의해 구할 수 있습니다.

콜-콜 플롯의 측정에는 측정 주파수를 100mHz～1.05kHz의 범위로 가변할 수 있는 배터리 임피던스 미터 BT4560이 가장 알맞습니다.

배터리의 실효 저항R과 리액턴스 X를 측정할 수 있습니다.

표준 부속품인 PC 응용 소프트웨어로 콜-콜 플롯을  그릴 수 있습니다.

또한, LabVIEW에서는 간단한 배터리의 등가 회로 해석을 할 수 있습니다.

전기 이중층 캐패시터(EDLC) 중 백업 용도로 사용되는 클래스1에 속하는 것은 내부 저항을 교류로 측정합니다. 또한 클래스2, 클래스3, 클래스4에서는 간이 측정으로써 사용됩니다.

BT3562는 측정 전류의 주파수 1kHz에서 최대 3.1kΩR까지 ESR을 측정할 수 있습니다.

JIS C5160-1에서는 측정 전류의 규정이 있습니다 .측정 전류를 JIS에 맞추는 경우는 LCR 미터 3523으로 측정합니다. 

BT3562는 측정 레인지마다 측정 전류가 고정되어 있습니다.

리튬 이온 캐패시터(LIC) 또는 전기 이중층 캐패시터(EDLC)를 충방전한 직후에는 재기전압에 의해 전위가 안정되지 않습니다. 이 상태에서 ESR을 측정하면 재기전압의 영향을 받아 측정값이 안정되지 않는 경우가 있습니다.

배터리 하이테스터 BT4560의 전위 구배 보정 기능을 사용하면 이 재기전압의 영향을 취소하므로 안정된 ESR 측정이 가능합니다.

배터리 하이테스터 BT4560은 최소 분해능 0.1μΩ으로 1mΩ 이하의 저 ESR의 리튬 이온 캐패시터 또는 전기 이중층 컨덴서에서도 측정할 수 있습니다.

펠티에 소자는 직류 전류를 흐르게 하는 것으로 냉각이나 가열, 온도 제어를 하고 있습니다.

펠티에 소자의 내부 저항을 측정하는 경우, 직류 전류로 측정하면 측정 전류에 의해 펠티에 소자 내부에서 열 이동 또는 온도 변화가 발생하게 되므로 안정된 내부 저항 측정을 할 수 없습니다.

교류 전류로 측정하는 것으로 열 이동 또는 온도 변화를 줄여 안정된 내부 저항 측정이 가능하게 됩니다.

BT3562는 측정 주파수 1kHz의 교류 전류로 내부 저항 측정이 가능하므로 수 mΩ이라는 저저항의 펠티에 소자의 내부 저항이 측정 가능하게 됩니다.

리튬 이온 배터리에는 네 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 

1. 음극(양극)

2. 양극(음극)

3. 전극 간의 접촉을 방지하는 분리막

4. 전해질

양극-분리막-음극이 반복되는 주기로 쌓이고 그 사이에 전해질이 채워집니다. 리튬 이온은 전해질을 통해 음극과 양극 사이를 이동합니다. 이를 통해 에너지를 저장하고 사용할 수 있습니다. 

전극 시트는 슬러리라는 액체로 금속 호일을 코팅하여 만듭니다. 일반적으로 양극은 알루미늄으로 만들어지고 음극은 구리로 만들어집니다. 전극 시트는 배터리의 핵심 부품으로, 결과적으로 전체 품질에 큰 영향을 미칩니다. 

전극 시트 제조 공정

전극 시트 제조 공정에서 전극 슬러리를 금속 호일(집전체)에 코팅하고 건조합니다. 제작된 레이어를 복합 레이어라고 합니다. 그런 다음 복합재 층의 강도를 높이고 전기 전도성을 향상시키기 위해 시트를 금속 롤러로 압착합니다("캘린더링").

배터리 성능과 관련하여 전극을 제조할 때 염두에 두어야 할 몇 가지 핵심 사항입니다.

• 전극 슬러리 도포시 두께 균일성
• 전극 시트 표면 내 전기적 특성 균일성
• 복합층과 전류 집전체 사이의 접촉 저항

내부 저항이 낮은 배터리는 에너지 효율이 좋고 수명이 깁니다. 리튬 이온 전지의 품질은 전극판 두께의 균일성과 건조 및 압착 과정에서 달라지는 전기적 특성을 고려하여 개선할 수 있습니다. 이를 통해, 얻은 정보는 생산 라인에서 품질 지표로도 사용할 수 있습니다.

히오키코리아는 전극 시트의 저항 평가를 기반으로 관리하는 수단으로 RM2610 전극 저항 측정 시스템을 제공합니다 . 이 시스템은 전극 시트의 저항을 복합층의 저항과 계면 저항(집전체와 복합층 사이의 접촉 저항)으로 분리하여 정량화합니다. 사용자는 전극 시트의 표면을 측정한 다음 독점 분석 기술을 사용하여 정량화하여 이 두 매개변수를 관찰할 수 있습니다.

리튬이온배터리의 생산공정과 각 공정에서 실시되는 검사를 간단히 나타냈습니다. 리튬이온배터리가 완성되기까지의 공정은 크게 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

・재료, 전극의 제조

・배터리 셀의 조립

・배터리 셀 완성품의 성능검사

・모듈, 팩 (assembled battery)의 조립

・모듈, 팩 (assembled battery)의 성능검사

배터리셀이 완성되기까지의 공정은 크게 [재료제조], [슬러리 제작], [전극제작], [배터리조립]으로 나눌 수 있습니다.

목표사양을 충족하는 배터리를 안정적으로 생산하기 위해서는 각 공정에서 품질이 확보되어야 하는 것이 매우 중요합니다. 앞선 공정에서 불량품을 가려낼 수 있다면 그만큼 생산효율에 기여할 수 있기 때문입니다. 관리해야 하는 품질지표는 많이 있지만 여기서는 다음 사항에 대해 설명하도록 하겠습니다.

・슬러리 제작： 재료의 비율 및 배합상태

・전극제작：건조조건과 전극밀도의 차이

・조립공정：불순물 혼입 정도

각 프로세스의 엄격한 관리는 개발공정에서는 프로세스 변경과 개선으로 이어지고, 생산공정에서는 고품질 고수율로 안정적인 생산으로 이어집니다.

지금의 리튬이온배터리 전극시트는 활물질, 도전조제, 고분자 바인더, 유기용매로 이루어진 전극 슬러리로부터 제작됩니다.

배터리의 고용량화를 위해서는 도전조제의 비율을 줄이고, 활물질 비율을 올릴 필요가 있습니다. 한편으로 배터리의 내부저항을 줄이기 위해서는 충분한 전자전도성을 지니는 것이 중요해 적절한 도전조제량이 필요합니다. 이러한 균형(Trade-off)에 의해 활물질:도전조제비율의 최적화가 중요합니다.  

또한, 최근 연구에서 양호한 배터리 특성을 얻기 위해서는 전극 슬러리 내의 각 물질이 균일하게 분산되어 있는 것이 매우 중요하다는 것이 시사되었습니다. 활물질의 각 입자표면이 전해액과 확실하게 접촉되어 있으면 반응면적이 커져 배터리 특성이 더욱 좋아집니다. 또한, 전자전도의 경로(path)가 되는 도전조제도 적절하게 분산되어 있어야 합니다. 슬러리를 혼합할 때 전단력(shearing force)이 너무 낮으면 도전조제가 제대로 풀리지 않습니다. 반대로 너무 높으면 도전조제가 미세하게 흩어져버려 양호한 전자전도를 얻을 수 없습니다. 또한 도전조제가 뭉친 곳에는 배터리에 탑재된 후 충방전을 할 때 전하가 집중되게 됩니다. 전극 전체에 균일하게 배터리 반응이 일어나야 하므로 이러한 현상은 바람직하지 않습니다. 전극 슬러리 내의 활물질과 도전조제의 입경분포(particle size distribution)와 분산성을 관리하는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.

HIOKI에서는 임피던스 측정을 이용한 전극 슬러리의 새로운 해석방법을 제안드리고 있습니다. 기존의 직류법이나 광학식으로는 구현이 어려운, 도전조제의 전자전도성과 활물질의 입경・분산에 유래하는 용량성분을 해석할 수 있습니다.

전극시트 제작공정에서는 먼저 슬러리를 금속박(집전체)에 얇게 도포합니다. 그 다음, 용매를 열풍으로 증발시켜 건조시킵니다. 그리고 합재층의 강도향상과 전기전도를 좋게 하기 위해 금속롤을 이용해 press합니다. 이러한 전극 제작과정에서 배터리 성능에 관한 몇 가지 포인트가 있습니다.

첫번째로, 슬러리를 도포할 때의 두께의 균일성입니다. 

두께가 균일하지 않으면 배터리 반응에 편차가 생깁니다. 또한 슬러리 안에 기포가 섞여 있으면 기포가 튀어 그 주변부의 슬러리만 얇아지는 현상도 나타납니다. 도포시의 품질관리와 이상검지를 위해서는 도막의 종횡방향의 두께의 편차를 측정할 필요가 있습니다. 이 두께 측정에는 비접촉식 두께 측정기를 사용합니다.

두번째로, 슬러리 내의 입자가 충분히 얇게 분산되어 있어야 한다는 것입니다. 

제대로 분산되어 있지 않으면 각 입자가 제 기능을 발휘하지 못해 배터리 성능도 좋아지지 않습니다. 분산상태가 안 좋은 경우, 각 입자는 슬러리 내에서 덩어리로 뭉쳐지는 현상도 종종 나타납니다. 덩어리된 상태에서 슬러리를 도포하면 도막이 깎여나가 골격이 보이게 됩니다. 카메라를 사용한 화상검사를 통해 이 골격을 검출해 슬러리 특성의 평가지표로 삼는 방법이 알려져 있습니다.

또한, 건조시킨 전극의 합재층은 약하기 때문에 금속롤로 press해 기계적 강도를 높일 필요가 있습니다. 이는 활물질을 집전체에 흡수시켜 전기전도를 좋게 하는 효과도 있습니다. 프레스압을 높게 하면 집전체와 합재층의 접촉저항(계면저항)을 낮출 수 있습니다. 그러나 프레스압이 너무 높으면 전해액이 침투하기 어려워져 배터리 자체의 저항값이 높아져 배터리의 입출력 특성에 영향을 미칩니다. 반대로 프레스압이 너무 낮으면 합재층은 충분한 기계적 강도를 얻지 못해 충방전을 반복하는 동안에 무너지고 맙니다. 이는 배터리 수명저하로 이어집니다. 따라서 적설한 프레스압을 설정해 유지할 필요가 있습니다.

HIOKI에서는 전극시트를 저항평가를 통해 관리하는 방법으로써 전극저항 측정 시스템 RM2610을 제안드리고 있습니다(하기 그림). RM2610은 합재층 표면에서 전류를 인가해 그 전류분포가 이루는 표면전위분포를 측정해 연산함으로써 합재층의 체적저항률과 집전체와 합재층의 접촉저항(계면저항)을 따로 분리해 구할 수 있는 장치입니다.

RM2610으로 전극시트의 “합재층의 체적저항률”과 “접촉저항”을 지표로 해여 배터리셀 조립전 단계에서 전극 평가가 가능해집니다. 전극시트 제작공정의 품질을 보증하여 리튬이온배터리의 발전・개선을 위한 개발시간 단축과 생산시 수율향상을 기대할 수 있습니다.

RM2610 자세히보기(클릭)

전극저항 측정 시스템 RM2610

전극시트의 제조공정에서는 금속가루의 혼입이 없도록 엄격하게 관리해야합니다. 금속가루가 혼입되는 원인으로는 다음을 들 수 있습니다.

・ 제조장치의 함체 등 제조현장에 있는 금속 파편

・ 전극을 소정의 크기로 잘라내는 공정에서 생기는 찌꺼기(bur)

・ 작업자의 옷에 붙은 금속가루의 유입

금속가루가 혼입되면 배터리 동작시에 내부단락의 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, 철, 구리, 니켈 등의 금속이 혼입되면 충전시에 전해액에 용출되어 그것이 음극에서 수지상(dendritic pattern)으로 석출됩니다[1]. 일련의 반응으로 용량이 열화되는 것 외에도 최악의 경우 대규모로 양극과 음극이 단락되어 폭발하는 등의 큰 사고로 이어지는 원인이 되기도 합니다 .

이물혼입에 의한 배터리 내부의 단락 

　혼입을 막는 대책으로써 이물검출장치를 사용해 직접적으로 이물을 검출하는 방법이 실용화 되고 있어 소개합니다. 이물검출장치로는 다음과 같은 종류가 있습니다.

・카메라를 이용한 화상검사장치：넓은 범위를 비교적 저렴한 가격으로 검사 가능합니다. 금속만 검출하는 것이 어렵지만[2], 가능한 장치도 있습니다. 전극내부에 축적된 이물은 검출이 어렵다는 단점이 있습니다.

・X선에 의한 금속이물검출：금속 외에도, 수지 등의 이물도 검출 가능합니다. 이니셜 비용, 보수비용과 함께 다른 검사와 비교하면 비싼 편입니다.

・자기 센서에 의한 금속이물검출：미세한 금속조각을 검출하려면 센서와 전극시트를 최대한 근접시킬 필요가 있습니다. 자성을 지닌 금속이물 이외에는 검출이 불가능합니다.  

위와 같이, 각 방법은 장단점이 있기 때문에 목적에 맞게 각 장치를 구분해 사용하거나, 여러방법을 병용할 필요가 있습니다.

전극시트를 권회(捲回)하기 직전에 검사함으로써 배터리셀에 혼입되는 금속이물을 확실하게 차단할 수 있습니다. 또는 복수의 공정에서 검사하여 어느 공정에서 어떤 이물이 혼입되었는지 특정하는 등의 방법도 있습니다.

고성능 배터리셀의 특성을 발휘하기 위해서는 배터리 에너지를 입출력하는 단자 (tab-lead)의 용접품질도 중요합니다 (하기 그림). 

특히 전기자동차 용도에서는 출력의 손실을 최소화하는 것과, 발열을 최소한으로 억제하는 것이 요구됩니다. 따라서 용접부의 저항은 0 Ω에 가까운 초-저저항이 이상적입니다.

일반적으로 용접부의 저항은 0.1 mΩ 이하의 order로 양품과 불량품을 판별합니다. 1 μΩ 이하의 분해능을 지닌, 저저항측정에 최적인 저항계를 선택해야 합니다.

라미네이트형 리튬이온배터리의 tab-lead 

리튬이온배터리에서 절연되어야 하는 부분이 제대로 절연되어 있지 않은 경우, 즉 절연저항이 부족하면 배터리 수명 저하나 발화사고를 일으킬 수 있습니다. 절연저항이 낮아지는 주요 원인은 금속이물혼입과 세퍼레이터 파괴 등입니다.

절연되어야 하는 부분으로는 주로 전극－전극 간, 전극－외장 간을 들 수 있습니다.  

절연저항시험기 ST5520에 의한 배터리셀의 절연저항검사

충분한 절연저항이 확보되어 있는 지 확인하기 위해 전해액을 주입하기 전의 배터리셀에서는 반드시 절연저항검사를 실시합니다. 절연저항검사에는 절연저항계를 이용합니다. 절연저항계란 저항계의 일종으로 고저항측정에 특화된 것이라고 할 수 있습니다.

절연저항계는 절연체에 고전압을 인가해서 흐르는 미소전류를 검출해 저항값을 구합니다. pA (피코 암페어), fA (펜톤 암페어) 급의 미소전류를 정확하게 검출할 수 있는 고감도 전류계가 내부에 탑재되어 있습니다.

절연저항측정에서는 측정신호가 매우 작기 때문에 측정값이 외래 노이즈나 누설전류에 크게 영향을 받습니다. 측정환경을 정비하는 것은 물론, 측정값의 안정성도 중요합니다.

HIOKI에서는 절연저항계로 절연저항시험기 ST5520, 초고저항계로 초절연계 SM7110시리즈를 제공하고 있습니다. 요구 사항에 맞춰 최적의 측정기를 선택하기 위해 다음에 열거한 포인트를 참고해 주십시오. 

(1) 절연저항값의 측정범위

절연불량판정의 임계값 이상의 절연저항값을 측정할 수 있는 측정기를 선택해야 합니다. 특히 수 GΩ이상이 양불판정의 임계값이 되는 경우에는 측정 레인지가 충분한지 확실하게 확인하십시오.

・ 판정 임계값이 수MΩ에서 수GΩ로, 수%정도의 측정 정확도가 요구되는 경우： ST5520

・ 판정 임계값이 수kΩ에서 수백TΩ으로, 더 고정확도 판정을 하고자 할 경우： SM7110, SM7120

(2) 전압출력성능 

절연저항측정시에 인가하는 전압의 레벨이 최적인 것을 선택하십시오.

・ 1000 V이하： ST5520, SM7110

・ 2000 V이하： SM7120

  (3) 택트타임

   대량의 배터리셀을 효율적으로 검사하기 위해서는 검사의 택트타임이 짧은 것이 중요합니다.  

  (4) 콘택트 체크기능

  시장으로 유출되는 불량품을 확실하게 방지하기 위해 콘택트 체크기능이 탑재된 절연저항계를 선택하는 것이 좋습니다.

올바른 콘택트 상태(좌)와 잘못된 콘택트 상태(우) 

  (5) 미세단락 체크기능

   미세단락이 존재하는 배터리는 충방전을 반복하는 사이에 대규모 단락에 이를 위험이 있어 불량품이라 판정해야만 합니다.

고전압 인가에 의한 미세단락의 일시적인 개선 

<내부절연불량 패턴과 양불판정>

<외장전위측정을 실시할 때의 주의점>

(1) 전위측정기의 입력저항

측정기의 입력저항이 낮은 경우는 관측되는 전압이 분압되어 불량품과 양품의 판정이 어려워집니다.  즉, 더 정확한 검사를 위해서는 전압계의 입력저항이 높은 편이 좋다고 할 수 있습니다. 

(2) 확실한 프로빙

외장전위측정에서는 외장전위가 0 V에 가까운 배터리를 양품이라 판정합니다. 한편 프로브가 측정대상에 연결되지 않은 경우도 동일하게 입력저항 R_IN 이 존재하기 때문에 저항계는 0 V를 표시합니다. 그 결과, 콘택트 미스에 의해 불량품을 양품이라 오판정해 불량품의 시장유출을 일으킬 수 있습니다.  특히 외장 알루미늄쪽은 절연필름의 코팅이 있기 때문에 접촉불량이 발생하기 쉬워 주의해야 합니다.

(3) 노이즈 대책

외래 노이즈가 많은 환경하에서는 측정값에 편차가 커져 오판정의 우려가 있습니다. 이 대책으로써 측정 케이블은 실드선을 이용해 외래 노이즈의 영향을 잘 받지 않도록 할 필요가 있습니다. 또한 상용전원의 hum 노이즈의 영향을 줄이기 위해 전압계의 적분시간은 전원주파수에 동기된 설정으로 하는 것도 중요합니다.

실드선

배터리의 내부저항측정에는 교류법과 직류법의 2종류가 있습니다.

직류법은 배터리를 일정전류로 방전해 방전전류값과 특정 타이밍에서의 전압강하로부터 내부저항을 산출하는 방법입니다. 주로 실제 사용시를 상정한 대전류 특성을 검사하기위해 이용됩니다.

이에 반해 교류법에 의한 내부저항측정에서는 배터리에 미세한 교류신호를 인가해 배터리의 저항성분과 리액턴스성분을 각각 분리해 측정합니다. 소형장치에서 간단히 우수한 재현성으로 측정이 가능한 점과 단시간에 측정을 실시할 수 있다는 점에서 리튬이온배터리 등 이차배터리의 성능 및 품질평가에서는 이 방법이 널리 이용되고 있습니다. 참고로 직류법에서는 배터리를 방전시키기 때문에 측정에 따라 배터리의 충전율이 변화합니다. 이를 원치 않을 경우에는 교류법을 선택하는 것이 좋겠습니다.

통례적으로 직류법으로 측정한 저항값을 DC-IR, 교류법으로 측정한 저항값을 AC-IR이라고 부릅니다. 또한 교류법에 의한 내부저항측정을 간단히 “임피던스 측정”이라고 부르는 경우도 많아 이후부터 이 명칭으로 기술합니다. 

배터리 테스터 (교류저항계)에 의한 배터리의 내부저항측정 

저-임피던스 측정에는 일반적으로 2단자법이 아닌 4단자법이 이용됩니다. 측정 프로브의 배선저항과 접촉저항의 영향을 받지 않고 정확하게 안정적으로 측정할 수 있습니다. 

(2) 유도자계의 영향

인가전류에 의해 주위 금속에는 와전류가 흘러 유도자계가 발생합니다. 이 유도자계가 전압측정선이 만드는 루프 내에 들어가면 측정오차가 되기 때문에 주의가 필요합니다. 이러한 현상은 직류에서는 발생하지 않고 교류측정 특유의 현상입니다.

(3) 인가 전류값

측정을 위해 인가하는 전류값은 배터리의 임피던스 값에 맞춰 결정해야 합니다. 배터리의 임피던스가 낮을수록 안정된 측정을 위해서 큰 인가전류가 필요해집니다. 단, 배터리의 I-V특성은 선형이 아니기 때문에, 너무 큰 전류를 인가하면 비선형성이 나타나 바람직하지 않습니다. 배터리의 양끝에 발생하는 교류전압진폭은 선형성이 유지되는 레벨로 억제해야 합니다.

(4) 측정주파수와 최대입력전압

(5)  배터리단자로의 콘택트

저-임피던스를 측정할 때는 측정단자의 콘택트 방법에도 주의가 필요합니다.

Nyquist plot이란 여러 주파수로 측정한 임피던스 값을 플롯한 그래프 중 하나입니다. 임피던스는 저항 성분과 리액턴스 성분을 포함하는 파라미터입니다. 

<그림: Nyquist plot의 예>
 

교류 신호를 인가해 임피던스를 측정합니다. 배터리의 임피던스를 측정하는 경우 교류 신호는 일반적으로 1kHz의 고정 주파수입니다. 주파수를 스윕해 임피던스를 측정하는 경우도 있습니다. 주파수를 스윕하여 측정하는 것은 전기화학 임피던스법이라고도 합니다. 이 방법으로는 배터리를 안전하고 분해 없이, 내용물 상태를 알 수 있습니다. 

배터리 전반의 내부저항은 크게 나눠 다음의 3가지로 분류됩니다.

1. 전해액 저항

2. 반응저항

3. 확산저항

그림 2와 같이 주파수대에 따라 임피던스를 지배하는 물리 현상이 다릅니다. 예를 들어 고주파(~1kHz)에서는 전해액 중 이온 이동, 저주파(<1Hz)에서는 이온의 전극 내 확산, 중간 주파수(1Hz – 수백Hz)에서는 이온의 전하 수수 반응 등의 현상이 임피던스에 주로 기여하고 있습니다.

즉, Nyquist plot을 자세히 해석함으로써 배터리의 각 부분에서 발생하고 있는 현상을 각각 평가할 수 있습니다.

<그림: Nyquist plot과 배터리의 내부저항의 관계성 예>

대표적인 해석 기법으로 그림과 같은 등가회로 모델을 사용한 등가회로 해석이 알려져 있습니다. 여기서는 배터리 내부에서 발생하는 각 현상이 각기 다른 등가회로소자로 모델링되어 있습니다. 해석에서 얻을 수 있는 각 소자의 값은 그 소자가 대표하는 물리 현상의 특성을 나타내는 값이라고 생각할 수 있습니다.

<그림: Nyquist plot과 등가회로 모델의 예>

1. 배터리의 열화 정도 확인

하기 그림과 같이 신품과 열화된 리튬 이온 배터리는 반응 저항값에 큰 차이가 있습니다. 낮은 온도에서의 충방전, 깊은 충방전(SOC:0% ⇄ 100%)을 반복하는 조건에서는 열화가 일어나기 쉽습니다. 전극 반응 부분의 열화 상태는 반응 저항으로서 그래프에 나타납니다. 

2. 배터리의 불량 요인 구분

다점 주파수에서의 교류 임피던스 측정을 실시함으로써 배터리 셀의 불량 요인을 구분할 수 있습니다. 예를 들면, 

R1이 큰 경우: 전해액 농도의 저하나 전극 용접부의 불량을 예상할 수 있습니다.

R2가 큰 경우: 전극 제조 공정에서의 불량, 전극 계면의 전극 반응 불량을 예상할 수 있습니다.

1. 측정기

*특주 사양

2. 다점측정과 평가

SW1001, SW1002 배터리 평가의 다채널화, 다점 Nyquist plot측정에 사용할 수 있습니다.

3. Multi-plot

무상 WEB 어플리케이션 'Multi-plot'에서는 브라우저상에서 파일을 불러오는 것만으로 Nyquist plot을 작성할 수 있습니다. 파일에서 그릴 포인트 수나 겹쳐 그려질 그래프 수에 제한이 없고 자유롭게 Nyquist plot을 만들 수 있습니다. 표시하는 그래프에 맞춰 세로축, 가로축의 스케일을 자동으로 조절합니다. 다른 측정기로 취득한 파일도 겹쳐 표시할 수 있어 비교하여 해석할 수 있습니다. 

내부저항이란 배터리가 전류를 흘려보내는 성능을 나타내는 파라미터 중 하나입니다.

내부저항값이 작을 때 배터리는 전류를 많이 흘려보낼 수 있습니다. 내부저항값이 커지면 배터리는 전류를 조금밖에 흘려보낼 수 없습니다.

아래 그림은 배터리의 내부 구성의 예입니다. 배터리는 내부 저항과 출력 전류에 의해 배터리 전압이 결정됩니다. 예를 들어, 배터리의 기전력, E010V가 있다고 합시다. 배터리의 내부저항, RDC는 1Ω, 부하, R은 9Ω이라고 하면 배터리 전압은 9V가 됩니다.

배터리의 내부저항은 0인 것이 이상적입니다. 하지만 현실에서는 그림에 나타난 바와 같이 반드시 내부저항이 존재합니다. 내부저항이 높아질수록 에너지 손실이 커집니다. 또 에너지가 손실될 때는 "열"이 발생합니다. 이 열에 의해 배터리가 열화됩니다.

<그림: 배터리의 내부구조>
 

내부저항 측정의 목적, 첫 번째는 생산 시 품질 검사입니다.

생산한 배터리의 내부저항을 측정하면 품질 판단에 이용할 수 있습니다.

하지만 내부저항이 몇Ω이면 배터리 품질이 좋다고 판단할 수 있을까요?

사실 답은 배터리의 종류에 따라 다릅니다.

그림1과 같이 소재, 구조, 크기, 전압 등에 따라 내부저항의 기준값은 종류별로 다릅니다.

그림2에 나타난 것처럼 몇 mΩ 정도의 배터리도 있고 1kΩ 전후의 배터리도 있습니다.

<그림1: 다양한 배터리의 종류 예>

<그림2: 배터리의 내부저항과 전압>

배터리의 내부저항을 사용해 판정함에 따라, 균일하고 사양대로 품질을 실현할 수 있습니다. 내부저항은 배터리의 품질을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

셀 생산 공장에서 생산된 셀은 출하 검사를 거쳐 모듈 생산 공장으로 수송됩니다. 시간 경과나 수송 시 진동 등이 원인으로 불량품이 발생할 우려가 있으므로 수입검사를 실시하여 모듈이나 팩으로 조립됩니다.

전지팩 내의 각 셀의 내부저항이 동일한 것도 중요합니다. 

내부저항이 큰 셀이나 열화가 진행된 셀이 있으면, 그 셀이 병목이 되어 전지 팩의 용량이 제한됩니다. 모든 셀이 동일한 내부 저항을 가지고, 또한 균일하게 열화되어 가도록 셀을 선정함으로써 전지 팩의 품질이 향상됩니다.

배터리 공정별 상세자료 보기 (클릭)

내부저항측정의 목적, 두 번째는 배터리 운용 시 유지보수입니다.

배터리의 내부저항은 사용하는 과정에서 점점 증가해 갑니다. 배터리는 전극 내부의 화학 반응에 의해 전력을 냅니다.

그러나 장기적으로 사용한 경우, 전극 내부에 녹이나 부식이 생기기 때문에 화학반응이 둔해집니다.

화학 반응이 둔해짐으로써 전지의 내부 저항은 커집니다.

백업용 UPS에서는 문제가 발생했을 때 배터리가 성능을 발휘하는 것이 중요합니다.

정기적으로 배터리의 내부저항을 측정함으로써 열화된 배터리를 배제할 수 있습니다.

배터리의 내부저항은 생산 시 품질 검사와 운용 시 유지보수에 중요한 파라미터입니다.

적절하게 측정함으로써 배터리의 성능을 최대로 발휘합시다.

전극 슬러리는 유기 용매에 분산된 다음 전극 재료로 구성됩니다. 리튬 이온 배터리의 전극 시트는 금속 호일에 전극 슬러리를 도포하여 만듭니다.

<전극 슬러리 재료 및 역할>

-활성 물질: 반응하는 리튬 이온

-전도성 첨가제: 전자 전도성을 촉진하는 역할

-결합제 : 활물질과 전도성 첨가제를 결합시키는 역할을 한다.

고용량 전지의 경우 전도성 첨가제의 비율을 줄이고 활물질의 비율을 높이는 것이 필요하다. 한편, 전지의 내부저항을 낮추기 위해서는 충분한 전자 전도도를 갖는 것이 중요하며 적당한 양의 도전첨가제가 필요하다. 이러한 트레이드 오프는 활물질과 전도성 첨가제 비율을 최적화하는 것이 중요합니다.

전극 슬러리에서 활물질 및 전도성 첨가제의 분산성은 중요합니다.

<활물질>

각 활성 물질 입자의 표면과 전해질의 접촉을 보장하면 이온 반응이 증가합니다. 이는 배터리 용량을 늘리는 데 도움이 됩니다.

<전도성 첨가제>

전극 슬러리가 잘 섞이지 않으면 전도성 첨가제가 충분히 분산되지 않습니다. 반대로 혼합이 너무 강하면 형성된 전기의 흐름이 파괴되어 양호한 전자 전도를 얻을 수 없습니다.

활물질과 전도성 첨가제를 분산시키지 않고 전지를 조립하면 전하가 집중되어 불균일한 전지 반응이 발생할 가능성이 있으므로 바람직하지 않습니다.