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DGIST·LG에너지솔루션, 자기장으로 배터리 내부 진단한다!

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작성일 23-11-21 14:41

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- DGIST 이홍경 교수와 LG에너지솔루션, 자기장을 통해 배터리 내부에 흐르는 전류 분포를 시각화하는 배터리 이미징 기법 개발

- 배터리 해체 없이 수십 초 내로 스캔하여 내부 결함 유형과 위치 식별할 수 있어… 향후 진단 기술로 LG에너지솔루션과 지속적인 산학 협력 기대

 
DGIST·LG에너지솔루션, 자기장으로 배터리 내부 진단한다! 이미지1
 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이홍경·이용민 교수, 중앙대학교 문장혁 교수 공동연구팀이 자기장 이미징 기법(Magnetic field imaging, MFI)을 사용해 배터리 내부 결함을 실시간·비접촉 방식으로 진단 할 수 있는 분석 기술을 개발했다고 31일(화) 밝혔다.

 전기차 및 에너지 저장 시스템 시장이 확대되면서, 배터리의 성능은 점점 좋아지고 크기 또한 커져가고 있다. 그럼에도 불구하고, 리튬이온 배터리의 결함으로 인해 발생하는 예기치 않은 고장과 대형 화재 사고는 인명 피해와 큰 경제적 손실을 초래하는 심각한 문제로 남아있다.

 배터리의 결함은 출하 전 공정 결함이나 장기간 운용에 따른 노화, 과충전, 기계적 충격 등 다양한 요인으로 인해 발생한다. 이러한 잠재적 결함들은 화재 위험을 증가시키지만, 배터리 내부를 들여다보기 어려워 결함의 종류와 위치를 사전에 감지하는 것은 거의 불가능하다. 최근에는 배터리를 분해하지 않고도 실시간으로 분석할 수 있는 X-ray CT나 MRI와 같은 기술들이 이차전지 연구에 활용되고 있지만, 시간과 비용이 많이 소요되며 해상도 한계로 실질적인 응용이 제한된다.

 LG에너지솔루션과 다년간의 산학 협력을 통해 이홍경 교수 주도의 연구팀은 잠재적 결함들이 비정상적인 전류를 유발할 수 있음에 착안하고, 자기장 이미지 기술을 도입하여 배터리 내부에 이상 전류를 감지할 수 있는 실시간 진단 기법을 제안하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 이론적인 연구에 의존했던 기존 연구와는 달리, 배터리 충·방전 전류로부터 유도된 자기장의 세기와 분포를 자기장 이미징 기법을 통해 수십 초 내로 스캔하여 실험적으로 배터리 내부 전류 분포 시각화에 성공했다.

 또한, 이를 기반으로 파우치형 배터리 제조 시 의심되는 공정 결함을 인위적으로 이식한 '결함-모사 배터리'를 제작하고 정상적으로 제조된 배터리와의 내부 전류 패턴 차이를 최초로 확인하여 결함 유형에 대한 식별을 가능하게 했다. 더 나아가, 배터리 내에서 정상적인 전류로 유도된 자기장 영역을 상쇄시킬 수 있는 외부 도체를 통합하여 이상 전류를 선택적으로 감지하고 각 결함의 위치를 추적할 수 있는 배터리 시험 기법을 개발하여 LG에너지솔루션과 공동 특허 출원하였다.

 DGIST 에너지공학과 이홍경 교수는 “배터리 분해 없이 내부에 흐르는 전류를 빠르게 이미징하여 결함의 유형 선별과 위치 추적할 수 있어 향후 진단 기술로 활용가치가 높을 것이다.”라 전했고, LG에너지솔루션의 권봉근 연구위원은 “산학 협력을 기반으로 다양한 결함들이 모사된 배터리들과 실제 양산 셀에서의 검증을 통해 기술의 완성도를 높일 계획이다.”라고 전했다.

 본 연구성과는 DGIST 이민규 석박통합과정생이 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 ‘스몰 메소즈 (Small Methods)’에 9월 15일자로 온라인 게재되었다. 아울러 한국연구재단의 ‘우수신진연구’ 및 ‘선도연구센터 (ERC)’, ‘기초연구실’ 사업과 LG에너지솔루션의 지원을 받아 수행되었다.

 
 
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연구결과개요
Diagnosis of Current Flow Patterns Inside Fault-Simulated Li-Ion Batteries via Non-Invasive, In Operando Magnetic Field Imaging

(Mingyu Lee, Yewon Shin, Hongjun Chang, Dahee Jin, Hyuntae Lee, Minhong Lim, Jiyeon Seo, Tino Band, Kai Kaufmann, Janghyuk Moon*, Yong Min Lee*, Hongkyung Lee*)

(Small Methods, on-line published on 15th Sep, 2023)

전기차, 에너지저장시스템 등 응용 분야에서 리튬이온전지의 수요가 높아짐에 따라 성능적인 측면에서 매우 많은 발전이 이루어졌다. 그러나, 배터리 폭발 및 화재사고가 잇따르면서 오늘날 리튬이온전지는 안전성이라는 새로운 과제에 직면해 있다. 이러한 치명적인 사고는 대형 배터리 설계 및 제조와 관련된 내부 결함 또는 극한의 작동 조건으로 인한 열화로 인해 유발된 잠재적인 결함으로 인해 발생한다. 따라서 고안전성 배터리를 구현하기 위해서는 배터리의 고장 과정을 밝히고 상태 진단 기술을 개발하는 것이 필수적이다.

본 연구에서는 파우치 형 리튬이온배터리 내부의 전류 흐름에 의해 유도된 자기장을 측정하는 실시간, 비파괴 자기장 이미징 (MFI) 기술을 개발하였다. MFI를 통한 전류 흐름 분석은 빠른 속도 (≥ 100 mm min-1), 높은 공간 해상도 (≥ 0.161 mm2)을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 자기장 차폐 없이 간단한 실험 환경 구축이 가능하다. 결함 유형을 구별하기 위한 전류 패턴 분석의 유효성을 검증하기 위해 셀 제조 공정에서 발생하는 결함 (리드-탭 부분 찢김, 전극 정렬 불량, 전극 접힘)을 의도적으로 파우치 형 배터리에 유도하였다. 정상 배터리에서 나타난 대칭적인 자기장 분포와 달리 결함이 유도된 배터리에서는 결함 유형에 따라 서로 다른 자기장 비대칭성을 확인하였다. 또한, 배터리와 반대 방향으로 흐르는 2D 도선과의 자기장 간섭 기술을 개발하여 결함이 유도된 배터리의 자기장 비대칭성을 효과적으로 강조하여 결함 검출 및 선별 능력을 향상시켰다. 이에 따라, MFI 분석을 통해 결함 유도 배터리의 전류 분포를 시각화하는 것은 전기화학 분석으로 결정할 수 없는 결함 유형을 구별하기 위한 비파괴적인 진단 능력을 제공할 수 있다.

 
 
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가
기존의 배터리 내부 결함 분석 기술은 긴 분석 소요 시간, 고비용, 저해상도 등의 문제로 실제 배터리 제조 공정에서 모든 배터리에 대한 검사가 진행되기에는 한계가 존재하였다. 본 연구는 자기장과 전류 사이의 상관관계를 이용하여 빠른 속도와 고해상도의 MFI 분석을 통해 결함 발생 여부뿐만 아니라 발생한 결함의 종류에 대한 분석이 가능하게 하였다.

 
Q. 어디에 쓸 수 있나
본 연구를 통해 제안된 MFI 및 배터리 내부 전류 시각화를 이용한 결함 분석 기술은 리튬이온배터리 제조 공정에서 발생하는 결함에 대한 실시간/비파괴 검사 기술로써 활용될 수 있으며, 결함뿐만 아니라 수명 열화에 대한 진단 기술로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

 
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는
본 연구의 과제는 상용 수준의 높은 용량을 가지는 배터리에 대해서 충분한 결함 검출 능력을 확보할 필요가 있다. 또한, 파우치 형 전지에 대해서는 분석의 유효성이 있으나 원통형 등의 배터리에서는 외장재에 자기장 교란 물질이 존재하여 전류 분포 분석에 오류가 생길 수 있다.

 
Q. 연구를 시작한 계기는
배터리 제조 기업과의 산학연구를 통해 실제 공정에서 발생하는 여러 유형의 결함이 배터리의 안전성에 심각한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 공정 중 발생하는 미세한 결함에 대한 분석 기술의 필요성을 느껴 본 연구를 진행하게 되었다.
 

Q. 어떤 의미가 있는가

앞서 설명된 내용과 같이 기존 결함 진단 기술의 한계점을 극복하여 배터리 안전성에 심각한 위협이 되는 제조 공정 상 결함에 대한 실시간/비파괴 검출이 가능하다는 것에서 가장 큰 의미가 있다. 특히, 기존에 배터리 내부의 전류 흐름에 대해 분석하기 위해 제안된 열 분포 분석, MRI 분석 등은 전류 방향성에 대한 정보를 얻을 수 없거나 낮은 해상도, 높은 비용 등의 근본적인 한계가 있으나, 본 연구의 MFI 분석을 통해 배터리 내부의 전류 분포를 정량적으로 분석할 수 있게 되었다.

 
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는
배터리 내부 전류 분포는 결함뿐만 아니라 열화와 밀접한 연관이 있다. 열화에 의한 잠재적인 결함 역시 안전성에 큰 영향을 주는 만큼 향후 연구를 통해 배터리 열화에 대한 MFI 분석을 통해 수명 진단이 가능한 기술로 발전시키는 것이 목표이다.

 
 
그림설명
[그림 1] 정상 배터리의 대칭적인 자기장 분포와 달리 결함 유형에 따라 서로 다른 비대칭성을 가지는 결함 유도 배터리의 MFI 분석 결과

 
(그림설명)

A. 충/방전 전류로부터 유도되는 자기장 모식도 및 MFI 분석 사진

B. 배터리 내 정상 전류가 흐르는 영역의 자기장을 상쇄시킬 수 있는 역전류 인가 외부 도체를 통합한 ‘자기장 상쇄 간섭’ 이미징 진단 기술 모식도

C. 배터리 제조 공정에서 의심되는 결함들 (탭 단선 및 정렬 불량, 전극 접힘)을 의도적으로 모사한 파우치형 ‘결함-모사 배터리’ 사진들

D. ‘자기장 상쇄 간섭’ 이미징 진단 결과. 자기장이 검출되지 않은 자기장에 비해 유형 별로 상이한 비정상 전류를 식별 가능하여 결함의 유형과 위치를 진단할 수 있음.

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