[배터리 품질관리] 이차전지(배터리) 무결점 품질확보를 위한 헥사곤 솔루션

최근 글로벌하게 각 국가들이 온실가스 절감을 위한 활동으로 탄소중립(Net Zero)을 선언하고 각종 활동을 정책과 법재화를 진행 중이고 몇몇 유럽 연방 국가들은 무역 규제로 활용하고 있다.

탄소중립의 한가운데 있는 산업이 전동화 (Electrification) 이며 가장 전동화가 활발하게 이뤄지는 분야가 전기자동차 분야(Electric Vehicle), 좀더 광범위한 정의로 이모빌리티(e-Mobility) 분야다. 이차전지(배터리)는 이모빌리티의 전체 원가 중 30% - 40% 차지하는 핵심 부품으로, 배터리는 이모빌리티 제품 원가 뿐만 아니라 품질을 결정하는데 아주 중요한 위치에 있다.

뿐만 아니라, 최근 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act, IRA)안에 따른 국내생산 배터리의 우려는 우선 일단락되었지만, 미 재무부가 전기차 배터리 부품과 핵심광물 조달을 금지하는 '외국 우려 단체'를 추가로 발표할 예정이라 아직 우려가 완전히 해소된 상태가 아니다.

다만, 배터리 소재, 부품, 패키지 업체로선 이러한 국내외 정치 및 정책변화와 더불어 무결점 품질확보를 통해 다양한 국가에서 품질을 인정받아야 한다.

헥사곤은 이차전지(배터리) 무결점 품질확보를 위한 다양한 방법론과 솔루션을 이차전지(배터리) 소재 부품, 패키지 고객사에 공급하고 있다.

이차전지(배터리) 매뉴팩처링 공정(그림2)과 헥사곤 솔루션 포지션은 그림3와 같이 다양한 분야에서 최적의 솔루션을 공급하고 있다.

• QC/QA 관리측면에서 배터리 소재, 장비, 셀, 모듈, 패키지를 위한 통합 품질경영시스템(ETQ QMS)를 제공하고 있다.

• 배터리 소재, 장비, 셀, 모듈 패키지 최적 설계 및 시뮬레이션 해석 솔루션으로 헥사곤은 MSC Nastran(구조, 피로, 수명, 충돌), Apex(해석자동화), Cradle(열유동), Simufact Welding(용접), Simufact Forming(성형), Material Center(소재데이터베이스 및 분석), Digimat (복합소재), Volume Graphics (CT 데이터 해석) 등 다양한 시뮬레이션 솔루션을 제공하고 있다.

• 배터리 제작상 발생할 수 있는 다양한 품질문제를 빠르고 정확하게 측정하고 개선할 수 있는 스테이션 타입 3차원 측정기, 이동식 3차원 측정기, 레이저 스케너, 광학식 스케너 등 다양한 품질 측정 솔루션을 공급하고 있다.

각 솔루션에 대해 좀더 자세히 알아보도록 하겠다.

첫번째로, 배터리 팩 제작 공정 상, 배터리 소재에 대한 소재 단에서 물리적 재료 특성에 대한 빅데이터와 AI/ML 기반으로 시뮬레이션 및 분석기술을 제공하고 있다. 또한, 최근 헥사곤은 클라우드 기반(Microsoft Azure) Collaboration Platform 인 Nexus를 개발 및 공급하고 있으며, 고객은 배터리 소재에 대해 클라우드 기반 협업 플랫폼인 Nexus상에서 소재 공급업체와 배터리 셀 업체가 긴밀하고 빠른 협업을 진행할 수 있게 되었다.

Nexus Material Apps은 배터리 재료 데이터를 관리하고 재료 콘텐츠의 갭을 클라우드 기반으로 생성하는 Nexus Materials Enrich와 클라우드 기반으로 배터리 셀 제작에 필요한 재료를 클라우드 기반으로 효과적으로 관리하는 Nexus Materials Connect로 제공된다.

Nexus Material Enrich는 기존 데이터를 활용하여 재료의 물리적 테스트의 횟수를 줄여 재료 특성화 작업에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있는 강력한 AI/ML 기능이 탑재되어 있다.

Nexus Material Connect를 통해 고객은 배터리 재료의 스키마를 정의하기 위해 광범위한 작업 없이 데이터를 간단한 방법으로 제공, 채택, 관리 및 안전하게 공유할 수 있다.

두번째로, 헥사곤 Volume Graphics 솔루션은 배터리 셀 제조 공정에서 컴퓨터 단층촬영(CT) 기술을 활용해서 배터리 내부 잠재적 결함을 찾아내고, AI/ML기법을 활용해서 다양한 기공, 및 이물질에 대한 정의를 3D 복셀(Voxel) 단위로 구분하여, 배터리 내 결함을 검출할 수 있는 솔루션을 제공하고 있다.

CT 촬영과 Volume Graphics 솔루션을 통해, 고객은 배터리 내부 활성물질 특성분석(이물질 크기, 방향 가변성을 이용하여 두께에 대한 평균 입자크기, Li-ion 흐름을 이해하기 위해 동일한 구조의 기공 공간 결정 등)을 할 수 있다.

Volume Graphics를 활용하면 양극재 오버행에 대한 편차를 파악할 수 있다.

헥사곤은 딥러닝 솔루션을 활용해 양극재 오버행 분석 정확도를 높일 수 있고, 기공 감지를 위한 레이블 트레이닝 데이터를 생성할 수 있다. 이는 잠재적으로 무한한 양의 데이터를 훈련시킬 수 있으며, 분석 정확도를 높이는 많은 도움을 준다.

배터리 셀 내부 이물질 파악을 위해 Volume Graphics는 다양한 상황에서 발생할 수 있는 이물질을 분석하여 사용자에게 이물질 내용을 리포트 한다.

다양한 상황은, 예를 들어, 용접 절차 중 용융된 금속 이물질이 배터리 내부에 침투할 수 있다. 이러한 이물질 입자들은 많은 부하 사이클 후 기계적 마찰에 의해 직/간접적으로 분리막에 손상을 주는 원인이 될 수 있다. 이런 분리막 손상은 열폭주 등의 원인 될 수 있어, 배터리 셀 내부 이물질에 대한 검출은 반드시 필요하다. 대부분의 용접부에는 용접 후 기공이 포함되어 있으며, 이는 향후 전해액 누출의 원인이 될 수 있다.

또한, 이런 누출은 열폭주로 이어지지는 않지만 전해액이 물과 반응하여 불산을 생성하는데 원인이 되므로 용접선 상의 내부 기공분석은 반드시 필요한 과정이다.

다음으로, 배터리 적측구조를 원통형 또는 각형으로 만들 때 양극재, 분리막, 음극재 배열이 균일하지 않는 경우가 발생하다. 이런 불균형 박리 현상은 배터리 품질에 많은 영향을 미친다. Volume Graphics를 활용하여 이런 불균형 박리현상을 분석하여, 균일 품질의 배터리를 만들 수 있다.

헥사곤의 구조해석솔루션을 통해 배터리 트레이의 구조적 결함, 변형, 수명을 시뮬레이션 해석을 통해 예측할 수 있으며, 차량 사고로 배터리에 충격 또는 파손에 해당하는 외력이 작용할 때 배터리와 배터리 트레이에 미치는 구조적인 영향을 예측할 수 있다.