[Application Note]리튬 이온 배터리의 급속 방전 시 변형 및 열화 매개변수 조사: 3D 디지털 이미지 상관 분석(Strain, Degradation, Discharging, 3D Digital Image Correlation)

 

목차

 

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리튬 이온 배터리의 급속 방전 시 변형 및 열화 매개변수 조사: 배경 및 준비

 

사우스캐롤라이나 대학교의 공학 및 컴퓨팅 대학 내 적응형 실시간 시스템(ARTS) 연구실에서 중요한 연구 프로젝트가 진행되었습니다. Correlated Solutions는 Dr. Austin Downey 연구팀과 협력하여 급속 방전되는 리튬 이온 배터리의 열화 매개변수를 조사하고 있습니다. 이 연구는 NSF와 공군 연구소의 지원을 받아 수행되었습니다.

 

 

 

 

테스트 개요

• 배터리: 18650 2500mAh 20A
• 배터리 테스트 시스템: NHR 9200
• DIC 시스템: VIC-3D (5 MP 카메라, 50 mm 렌즈, 1050 LED 조명 키트)
• 위치: 사우스캐롤라이나 대학교 공학 및 컴퓨팅 대학, 적응형 실시간 시스템(ARTS) 연구실

 

 

연구 목적

배터리의 급속 방전 시 발생하는 변형 및 열화 매개변수를 조사하는 것은 특히 방위 및 항공우주 분야에서 매우 중요합니다. 이 연구의 주요 초점은 전류 차단 장치(CID)에 있습니다. CID는 안전성을 보장하기 위해 설정된 안전 한계를 초과하는 전류 흐름을 차단하여 배터리 셀이 과열되는 것을 방지합니다.

 

 

연구 배경

고성능 배터리는 큰 전류를 빠르게 전달해야 하기 때문에 CID의 역할이 중요합니다. 높은 스트레스에 노출된 배터리는 내부 압력이 증가하고, 이는 CID를 작동시켜 배터리를 보호합니다. 초기 연구에서는 스트레인 게이지를 사용하여 내부 압력을 측정했으나, 그 크기가 작아 센서를 부착하는 데 어려움이 있었습니다. 따라서 연구팀은 비접촉식 전장 및 변형 데이터를 제공하는 VIC-3D 디지털 이미지 상관 시스템을 사용했습니다.

 

 

DIC 시스템 설정

• 카메라: 두 대의 5 MP 카메라와 50 mm 렌즈
• 조명: 1050 LED 조명 키트
• 캘리브레이션: 5 mm 캘리브레이션 타겟 사용
• DIC 시스템은 배터리 방전 시 발생하는 전장 및 변형을 전체 필드에서 측정하여 CID 작동 직전의 배터리 반경 변화를 정확히 식별합니다.

 

 

 

 

리튬 이온 배터리의 급속 방전 시 변형 및 열화 매개변수 조사: 결과 및 분석

 

 

 

분석 절차

분석 영역(AOI, Area of Interest)은 압력이 증가함에 따라 배터리 직경의 변화를 측정하도록 설정되었습니다. 배터리 표면에 인공적인 결과를 초래할 수 있는 작은 결함이 발견되어 AOI를 조정했습니다. 45x45 픽셀의 서브셋 크기와 5의 스텝 크기로 700쌍 이상의 스페클 이미지를 분석했습니다.

 

배터리 모양을 고려하여 VIC-3D는 중심 원통형 z축과 각 지점의 반경을 결정하는 원통형 변환을 수행합니다. ΔR은 배터리가 가열되고 압력이 증가함에 따라 각 지점에서 계산됩니다. 원통형 변환은 또한 원통 축을 y축과 정렬시키는 직교 좌표 변환을 적용합니다. 그런 다음, Eyy 축 변형률이 축 방향 변형률을 나타내도록 재계산합니다.

 

 

시각화 및 결과

VIC-3D의 강력한 아이리스 데이터 시각화 엔진은 2D, 3D, 선형 플롯, 이미지 및 아날로그 데이터를 동일한 슬라이드에 표시하여 복잡한 DIC 결과를 시각적으로 이해하기 쉽게 표시할 수 있습니다.

 

이 연구는 리튬 이온 배터리가 고장 조건에 접근할 때의 열화 매개변수를 이해하는 데 중요한 단계입니다. 우리는 이러한 미래 배터리 응용 프로그램 개발에 기여하게 되어 자랑스럽게 생각합니다.

 

앞으로도 지속적인 연구를 통해 고성능 배터리의 안전성과 효율성을 높이는 데 기여할 것입니다.

 

 

 

 

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