Manufacturing Integral Safety Vents in Prismatic Lithium-ion Batteries

직사각형 리튬 이온 전지의 일체형 안전장치 제조 공정에 관한 연구

Abstract

A safety vent is crucial to protect its user from unpredictable explosions caused by increasing internal pressure of the lithium-ion batteries. In order to prevent the explosion of the battery, a safety vent rupture is required when the internal pressure reaches a critical value. In conventional manufacturing, the cap plate and the safety vent are fabricated separately and subsequently welded to each other. In the current study, a manufacturing process including a backward extrusion and coining process is suggested to produce an integral safety vent which also has the benefit of increasing production efficiency. FE simulations were conducted to predict the rupture pressure and to design the safety vent using a ductile fracture criterion and the element deletion method. The critical value, C, in the ductile fracture criterion was obtained from uniaxial tensile tests with an annealed sheet of 1050-H14 aluminum alloy. Rupture tests were preformed to measure the rupture pressure of the safety vent. The results met the required rupture pressure within 8.5±0.5 kgf/cm². The simulation results were compared with experimental results, which showed that the predicted rupture pressures are in good agreement with experimentally measured ones with a maximum error of only 3.9%.

1. 서 론

직사각형 리튬 이온 전지는 전기 자동차, 노트북 등과 같은 높은 성능이 요구되는 전자 장치에 사용되고 점차 그 수요가 증가함과 동시에 전지의 성능 향상에 대한 관심이 높아지고 있다[1~3].

리튬 이온 전지는 기존의 전지에 비하여 높은 출력과 용량을 가지는 장점이 있는 반면에 높은 작동 전압으로 인하여 과충전, 과방전 및 과전류에 의한 다양한 화학반응이 일어나게 된다. 이러한 화학반응으로 전지 내부의 압력이 증가하며 폭발의 위험성이 높아진다[4, 5].

일반적으로 전지의 안전성을 확보하기 위해 주로 전지 상판인 캡 플레이트(cap plate)에 안전장치(safety vent)를 접합하는 방식이 사용되고 있다. 이 안전장치는 낮은 전지 내부의 압력에서 다른 부위보다 먼저 터짐(rupture)이 발생함으로써 전지의 폭발을 방지하여 사용자의 안전성을 확보하는 역할을 한다. 따라서 전지 내부에 압력이 발생 및 상승할 때, 안전장치의 터짐 압력(rupture pressure)를 예측하여 목표 압력에서 터짐 발생이 가능하게 하는 것이 안전 장치의 설계함에 있어 중요하다.

일반적으로 재료의 파단을 예측하기 위한 방법으로는 단순 인장시험에서 얻은 시편의 파단변형률을 이용하는 방법, 소성불안정 이론에 근거하여 한계변형률을 이용하는 방법, 연성 파괴 기준(ductile fracture criteria)을 적용한 방법 등이 제시되고 있고, 본 연구에서는 연성파괴 기준을 적용하였다[6~8].

기존 안전장치의 제조 공법은 용접형(welded type)으로 Fig. 1(a)와 같이 얇은 판재를 엣칭(etching), 기계가공 또는 소성가공으로 가공한 안전 장치를 전지 상판에 용접으로 접합하는 방법이다. 기존의 제조 공법은 용접부의 불량으로 인해 전지의 성능 및 신뢰성이 크게 저하될 수 있다. 또한, 공정이 복잡하여 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

Fig. 1Structure of safety vent in prismatic lithium-ion battery

따라서 본 연구에서는 리튬 이온 전지의 캡 플레이트와 안전장치를 일체형으로 제조함으로써 기존 공법의 단점을 개선하는 제조 공정을 제시하였다. 제시한 일체형 안전장치의 제조 공정은 후방압출 공정과 코이닝 공정을 통해 목표 터짐 압력에서 터짐이 발생하는 형상으로 성형하는 공정이다. 반면 일체형 안전장치는 용접형 안전장치에 비해 Fig. 1(b)와 같이 C에서 펀치에 의한 곡률이 발생하여, 전지 내부의 압력에 의한 변형을 감소시킨다. 이에 안전장치의 터짐 발생 압력이 높아지므로, 목표 터짐 압력을 만족하는 치수로 재설계 되었다.

일체형 안전장치의 제조 공정은 설계된 치수로 생산성을 향상시키기 위해 프로그레시브 금형으로 수행되었다. 일체형 안전장치의 터짐은 상용 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 사용하여 예측되었으며, 실제품의 터짐 시험(rupture test)을 실시하여 그 유효성을 검증하였다.

 

2. 일체형 안전장치 제조

일체형 안전장치를 제조하기 위한 프로그레시브 금형도는 Fig. 2와 같으며, 후방압출 공정, 코이닝 공정, 피어싱 공정 및 블랭킹 공정으로 이루어져 있다. 최종 제품은 용접형 안전장치와 동일하게 성형 공정 중 발생한 잔류응력을 제거하기 위해 어닐링(annealing) 처리가 필요하다.

Fig. 2Process lay-out of progressive die for integral safety vent

Fig. 3와 같이 일체형 안전장치 제조를 위한 주요 공정은 후방압출 공정과 코이닝 공정이다. 초기 소재 두께인 2mm에서 후방압출 공정을 통해 두께 0.2mm까지 성형하고, 코이닝 공정을 통해 최종 바닥 두께 0.05mm까지 성형하여 안전장치를 제조한다. 안전장치의 바닥부 및 노치부의 두께는 수요처의 규격에 따라 정의되었다.

Fig. 3Schematic illustration of backward extrusion and coining process

 

3. 터짐 예측 모델

3.1 재료의 기계적 특성

적용 소재는 리튬 이온 전지의 안전장치에 주로 사용되는 알루미늄 합금으로 Al1050 판재이다. 초기 소재 Al1050-H14 판재를 어닐링 하였으며, 어닐링된 소재인 Al1050-O 판재는 유한요소해석 및 실험에 사용되었다. 어닐링 조건은 354℃에서 2시간 유지 후 노냉 하였으며, 성형공정 후 동일한 조건으로 어닐링 하였다.

초기 소재의 두께는 2mm로 응력-변형률 관계 및 기계적 특성을 파악하기 위하여 단축 인장시험을 수행하였으며, 인장 시험편은 KS B 0801 13호B를 사용하여 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4Tensile test result of 1050-O aluminum alloy sheet

3.2 연성 파괴 모델

Fig. 5에 전지 내부 압력에 의한 안전장치의 터짐 발생 순서를 개략적으로 나타내었다. 전지 내부의 압력이 발생, 증가하면 안전장치의 변형이 생겨 소재의 파단을 야기시킨다. 본 연구에서는 일체형 안전장치가 목표 터짐 압력에서 터짐이 발생하는 일체형 안전장치의 형상을 결정하기 위하여 최대 변형에너지 밀도에 근거한 Cockcroft and Latham의 연성파괴 기준을 근거로 하여 안전장치의 터짐을 예측하였다[7~8]. 또한, 유한요소해석으로 파단 기준에 도달한 요소가 제거되는 기법(element deletion method)을 사용하여 실제 파단과 동일하게 모사하였다. 연성파괴 기준은 단축 인장시험을 통해서 얻을 수 있는 최대 주인장응력에 의해 축적된 에너지를 임계값으로 하며, 이는 식 (1)과 같다.

Fig. 5Schematic illustration of operating mechanism of safety vent by load application

식 (1)의 임계값(C1)을 초과하면 소재의 파단이 발생하는 것으로 가정하고, 이는 다음과 같은 식 (2)로 나타낼 수 있다.

따라서, 식 (2)의 I = 1이 되어 연성파괴가 발생한다.

유한요소해석을 통해 재료의 파단을 예측함에 있어서 그 기준이 되는 중요한 인자인 Al1050-O의 임계값(C1)을 계산하였으며, 그 값은 약 29.07이었다.

 

4. 유한요소해석

4.1 일체형 안전장치의 터짐

목표 내부 압력에서 터짐이 발생하는 안전장치의 형상을 정의하기 위해 Fig. 6과 같이 해석 모델을 구성하였다. 계산시간을 감소시키기 위해 1/4모델이 사용되었으며, 500,000개의 8절점 육면체 요소로 구성되었다. 특히, 터짐이 예측되는 노치 부위는 상대적으로 요소 밀도를 조밀하게 구성하였다. 실제 터짐 현상을 해석상에서 구현하기 위해 연성파괴 이론을 적용하고 요소제거기법이 사용되었다. 또한, 실제와 동일하게 캡 플레이트의 바깥 4면을 구속조건으로 설정하였고, 정밀한 터짐 압력을 예측하기 위해 하중경로를 목표 터짐 압력 범위에서 시간 증분을 조밀하게 나누었다.

Fig. 6Comparison of deformation behavior and rupture pressure of safety vent

기존의 용접형 안전장치의 형상 및 치수에서 노치길이(l)가 터짐에 미치는 영향을 유한요소해석을 통해 조사하였다. 주어진 각 공정의 두께에서 노치의 길이에 따라 안전장치의 변형량이 다르며, 터짐 압력 또한 차이가 발생한다. Fig. 6과 같이 압력이 가해질 때 노치의 길이가 짧을수록 안전장치의 변형량은 크게 되며, 안전장치의 터짐 압력이 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 노치 길이(l)는 목표 터짐 압력을 만족하는 치수인 5.9mm로 결정하였다.

안전장치에 압력을 적용하여 해석한 결과로 터짐이 발생된 형상을 Fig. 7에 나타내었다. 압력이 증가함에 따라 바닥면이 먼저 부풀어 오르면서 변형된다. 노치부 중심(C)에서 변형이 최대가 되어, 약 8.539kgf/cm2의 내부 압력에서 터짐이 발생하였다.

Fig. 7Result of FEM of safety vent

4.2 일체형 안전장치의 제조

일체형 안전장치를 결정된 치수로 소성 가공을 통해 제조함에 있어서 성형 가능 여부 및 결함 발생 가능성을 파악하기 위해 후방압출 공정과 코이닝 공정의 유한요소해석을 실시하였다.

성형 공정의 해석은 안전장치의 터짐 예측과 동일한 소재 물성을 사용하였으며, 터짐 예측으로 결정된 치수를 사용하였다. 이때 마찰계수는 0.4로 적용되었다. 코이닝 펀치는 후방압출된 벽부의 재성형을 피하기 위해 후방압출 공정의 펀치보다 작은 외경 치수로 결정하였다. 코이닝 펀치에서 노치의 깊이를 펀치의 스트로크 만큼인 0.15mm로 하여 코이닝 공정 후 바닥부의 평탄도를 유지할 수 있는 구조로 하였다.

일체형 안전장치의 성형공정 해석 결과를 Fig. 8에 나타내었으며, 목표 치수로 성형 가능함을 확인하였다. Fig. 9와 같이 후방압출 공정의 성형 과정에서 압출된 벽부의 표면에 국부적인 데미지의 증가로 표면흠(surface crack)이 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 전지 내부에 압력이 작용하였을 때 안전장치의 성능과는 무관하며, 각각의 성형 공정 모두 바닥면에 분포하는 데미지는 매우 적은 양이므로 성형 공정으로 인한 소재의 파단이 발생하지 않을 것으로 예측되었다. 따라서 일체형 안전장치를 제조 가능함을 알 수 있었다.

Fig. 8FE model and results of backward extrusion and coining process

Fig. 9Damage distribution of backward extrusion and coining process

 

5. 검증 실험

5.1 일체형 안전장치의 제조

유한요소해석을 통해 재설계 된 일체형 안전장치는 Fig. 10과 같이 생산성을 확보하기 위해 기계식 프레스에서 프로그레시브 금형으로 제작되었다. 프로그레시브 금형은 Fig. 2와 같이 후방압출 공정, 코이닝 공정, 피어싱 공정, 블랭킹 공정 순으로 레이아웃을 작성하여 제작되었다. 제작된 안전장치는 각 공정 별 10개로, 그 치수를 측정하였다. 치수 측정은 터짐 압력에 영향이 큰 바닥두께를 측정하였으며, 그 결과 후방압출 공정 후 바닥두께는 0.19±0.02mm, 코이닝 공정 후 노치부의 두께는 0.05±0.01mm로 정밀한 치수를 얻을 수 있다. 또한, 일체형 안전장치의 제조함에 있어서 그 재현성은 터짐 시험을 통해 검증 하였다.

Fig. 10Progressive die for manufacturing process of integral safety vent and result of experiments

5.1 일체형 안전장치의 터짐

Fig. 11은 터짐 시험(rupture test) 장비로 일체형안전장치의 실제 터짐 압력을 정밀하게 측정하기 위해 구성되었다. 터짐 시험은 제작된 일체형 안전장치를 홀더로 고정하고 바닥면에 임의로 압력을 증가시켜 안전장치의 터짐 압력을 측정한다. 압력은 초당 0.1kgf/cm2만큼 증가되며, 안전장치의 터짐이 발생하는 순간의 압력을 측정하였다.

Fig. 11Rupture test equipment to measure the rupture pressure

터짐 시험 장비를 사용하여 Fig. 10과 같이 제조된 일체형 안전장치의 터짐 압력을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 12에 나타내었다.

Fig. 12Result of rupture test to measure the rupture pressure

터짐 시험을 통해 측정된 터짐 압력은 8.525±0.29 kgf/cm2 으로 목표 터짐 압력 범위를 만족하였으며, 해석으로 예측된 결과와의 오차는 최대 3.9%이었다. 따라서, 프로그레시브 금형을 사용하여 안전장치를 일체형으로 제조함에 있어서 그 유효성을 확인하였으며, 유한요소해석을 통한 터짐 압력 예측이 타당함을 알 수 있었다.

6. 결 론

본 연구에서는 직사각형 리튬 이온 전지에서 안전장치를 일체형으로 설계 및 제조하였다. 기존의 용접형 안전장치의 단점을 개선하기 위한 일체형 안전장치의 제조 가능성을 확인하였고, 안전장치의 터짐 압력을 예측하여 목표 터짐 압력에서 터짐 발생 가능한 치수로 설계되었다.

(1) 일체형 안전장치의 생산성 향상을 위한 후방 압출 공정, 코이닝 공정, 피어싱 공정 및 블랭킹 공정으로 이루어진 프로그레시브 금형을 설계 및 제작하였다.

(2) 기존의 용접형 안전장치와 동일한 노치각도, 깊이 등에 대해서 일체형 안전장치가 동일한 터짐 압력을 가지기 위해 터짐 예측 모델을 이용하여 노치길이(l)를 6.5mm에서 5.9mm로 결정하였다.

(3) 일체형 안전장치의 터짐 시험을 실시하였으며, 목표 터짐 압력 범위를 만족하였다. 예측된 압력과의 최대 오차는 3.9%이었다.