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대용량 배터리 계측의 페러다임 시프트 Tier1 제조사가 모색하는 EIS 계측 활용

작성자 : 히오키코리아 2024-06-25 15:39:03

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전기자동차(EV)와 설치형 축전 시스템(ESS)이 세계적으로 보급됨에 따라, 리튬 이온 배터리의 수요가 급속히 확대되고 있습니다. 배터리 업계를 리드하는 Tier1 제조사에서는, 내부 저항*1 검사에, EIS*2 계측의 도입을 모색하는 움직임이 나오기 시작했습니다.

새로운 계측 방법으로 패러다임 시프트를 탐구할 것인가, 아니면 현재의 계측 방법을 향상시키는 것을 추구할 것인가. 리튬이온 배터리의 대용량화를 추구하는 제조사는 가까운 미래에 선택해야만 할 것입니다. 

 

*1 내부 저항: 배터리의 상태를 나타내는 중요한 지표 중 하나. 배터리 자체가 가지는 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타낸다. 배터리 생산라인에서는 대부분의 경우 배터리 테스터를 이용하여 계측하며, 측정주파수 1kHz의 교류신호를 인가하는 방법이 일반적이다.

 

*2 EIS: 전기화학 임피던스 분광법. 배터리에 교류전압을 인가해 주파수를 변화시키면서 임피던스(교류저항)를 측정함으로써 배터리 내부의 전기화학적 특성을 상세하게 분석하는 방법. 

 

 

■배경

한정된 자원을 계속 이용하기 위해서, 사용이 끝난 배터리의 재이용과 재활용을 통해 배터리 서큘러 이코노미*3의 실현이 매우 중요한 과제입니다. 배터리의 효율적인 재활용을 위해서는 배터리의 생산에서 폐기에 이르기까지 라이프 사이클 전체에 있어서 데이터의 기록과 관리가 중요합니다. EU에서는 배터리의 밸류체인의 투명성, 순환성, 지속 가능성을 높이기 위해 배터리 패스포트*4의 도입이 추진되고 있습니다. 기록 데이터 활용을 통한 배터리 잔존가치 평가 개선과 재활용 효율 향상 등 새로운 가치 창출이 기대되고 있습니다.

  

*3 배터리 서큘러 이코노미: 배터리의 설계, 생산, 사용, 재사용, 재활용의 각 단계에서 자원의 효율적인 이용과 순환을 촉진함으로써 환경 부하를 최소화하면서 경제적 가치를 최대화하는 것을 목표로 하는 경제 모델.

 

*4 배터리 패스포트: 배터리의 제조, 사용, 재활용에 관한 정보를 전자적으로 기록·관리함으로써, 배터리의 라이프 사이클 전체에서 트레이서빌리티(추적 가능성)를 확보하는 시스템.

 

 

또한 한편으로, EV의 항속 거리 연장과 ESS의 대규모화를 목적으로 새로운 배터리가 개발되어 대용량화가 진행되고 있습니다. 특히 고성능 EV에 탑재되는 신형 배터리는 크기와 내부 구조에 큰 변화가 일어나고 있습니다. 배터리가 대용량화되면 내부 저항이 작아집니다. 최근 배터리의 비약적인 대용량화로 내부 저항이 매우 작아져 정확한 계측이 어려워지고 있습니다. 또 크기나 내부 구조가 기존과 크게 달라진 배터리는, 지금까지 업계 스탠다드로 여겨져 온 측정 주파수 1 kHz 고정의 배터리 테스터로는 품질을 올바르게 평가할 수 없다는 과제도 발생하고 있습니다.

  

현재 배터리 업계를 견인하는 Tier1 제조사에서는 차세대 내부 저항 검사 방법을 모색하기 시작했습니다. 배터리의 내부 저항 계측에는, 새로운 구조나 대용량화에 대응하면서 서큘러 이코노미의 실현을 가능하게 하는 새로운 솔루션이 요구되고 있습니다.　　　 

 

배터리 임피던스 미터 BT4560(좌)　　　　　　　　　　　　배터리 테스터 BT6075(우)　 

  

■EIS 계측에 의한 상세 데이터 취득

배터리 패스포트의 도입을 전망해, 배터리 제조사 각사는 생산시의 상세한 데이터 취득과 관리의 방법을 모색하고 있습니다. 그 하나의 해결책으로서 주목받고 있는 것이, EIS(전기화학 임피던스 분광법)를 이용한 내부 저항의 계측입니다. 넓은 주파수 범위에서 복수의 주파수를 이용해 계측하는 것으로, 배터리 셀의 내부 상태를 보다 상세하게 분석해, 기록에 남길 수 있습니다.

당사는 0.01Hz ~ 1.05 kHz의 주파수 범위에서 EIS 계측이 가능한 배터리 임피던스 미터 BT4560을 기존부터 제안해 왔습니다. 현재 BT4560은 개발 연구 용도뿐만 아니라 생산 라인의 검사 장비로의 활용도 주목받고 있습니다.

예를 들어, 측정 주파수 0.01Hz에서의 계측에 의해, 배터리 셀이 실제로 구동하는 직류에 가까운 상태의 내부 저항을 알 수 있습니다. 또한 대용량 배터리 셀에서는 측정 주파수 1kHz보다 100Hz쪽이 유도 성분의 영향이 작아 내부 저항으로서의 값을 정확하게 나타내는 경우도 존재합니다.

Tier1 제조사는 EIS 계측을 통해 최신 배터리에 적합한 측정 조건을 모색하며, 미래의 배터리의 라이프 사이클에 대한 데이터 활용에 대비하고 있습니다.

 

 

■대용량화에 대응하는 고정밀도 계측

배터리의 대용량화에 따라 내부 저항의 값은 매우 작아졌으며, 계측의 정밀도나 재현성에 문제를 안고 있는 경우도 증가하고 있습니다. 배터리 테스터 BT6075는 측정 주파수 1kHz의 배터리 테스터로서, 정밀도, 안정성, 측정 속도 모두에서 세계 최고 수준의 성능을 자랑하는 제품입니다. 현재 방법에서 내부 저항 계측을 한층 더 고도화시켜, 성능을 극한까지 추구한 제품입니다.

 

■정리

새로운 계측 방법에 의해 패러다임 시프트를 탐구할 것인가, 현재의 계측 방법의 향상을 추구할 것인가. 배터리 업계는 지금 데이터 트레이서빌리티 도입과 대용량화라는 큰 전환점을 맞이하고 있습니다. HIOKI는 EIS 계측을 가능하게 하는 BT4560과 기존 방법을 극한까지 추구한 BT6075의 두 가지 접근 방식을 통해 배터리 서큘러 이코노미 구현과 차세대 배터리 개발을 강력하게 지원할 것입니다.

 

 

■BT4560의 특장점

폭넓은 주파수로, 다양한 타입의 배터리의 내부 저항 측정에 대응 가능한 배터리 임피던스 미터. 부분 제품 변경을 통해 측정 주파수 하한을 0.1Hz에서 0.01Hz로 확대.

측정 주파수: 0.01Hz ～ 1.05 kHz 

최대 입력 전압: 5 V

저항 측정 레인지: 3 m, 10 m, 100 mΩ 

최소 분해능: 0.1μΩ(3mΩ 레인지, 10mΩ 레인지)

 

>> 제품 상세 보기 배터리 임피던스 미터 BT4560

 

■BT6075의 특장점

측정 주파수 1kHz로 고정밀, 고속, 안정적인 배터리의 내부 저항 계측이 가능. 배터리 테스터의 최상위 클래스 모델.

측정 주파수: 1kHz 

최대 입력 전압: 100 V

저항 측정 레인지: 3 mΩ、30 mΩ、300 mΩ 、3 Ω、30 Ω

분해능 : 0.01μΩ(3mΩ 레인지)

 

>> 제품 상세 보기 배터리 테스터 BT6075　

 

기재되어 있는 정보는 본 문장 발행일 현재의 것입니다. 예고 없이 사양, 그 외 문장에 기재된 정보는 변경되는 경우가 있으므로, 양해 바랍니다. 본 문장에서 사용하고 있는 회사명 및 제품명은, 각사의 등록 상표 혹은 상표입니다.

 

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