본 논문은 리튬 이온 배터리의 탭-전극 용접부 단면결함 및 피로수명을 예측하기 위한 방법을 연구한다. 실험적 관찰을 통해 용접 공정 시 발생할 수 있는 결함을 정의하고 탭-전극 용접부 피로수명 획득을 위한 시험방법을 제시한다. 또한 탭-전극 용접부의 인장강도를 이용하여 단면 결함 및 피로수명 예측을 위한 상관성 도출 방법을 제시한다.
전기차 배터리에는 수백, 수천개의 탭과 전극이 용접된다. 배터리 탭은 배터리에서 생성되는 전류를 외부로 전달해 주는 통로 역할을 하므로 용접부의 낮은 전기저항과 우수한 기계적 특성이 요구된다. 탭-전극의 용접품질평가는 주로 단면결함과 인장강도를 측정하여 수행된다. 탭과 전극의 용접과정중 발생할 수 있는 기공, 균열, 박리 등의 용접결함은 용접부의 접촉저항을 증가시켜 전체 전류밀도를 저하시킬 수 있으며 발열로 인한 안전문제도 발생할 수 있다. 용접부의 낮은 기계적 특성은 내구성 저하 및 배터리 사용시 발생할 수 있는 외부충격에 의한 용접부의 탈락을 유발할 수 있다. 일반적으로 배터리 탭의 기계적 특성을 위하여 측정되는 인자는 용접부의 경도나 인장강도 외에 다른 특성은 평가되지 않는다. 배터리 특성상 사용환경에 따라 지속적인 피로하중에 영향을 받게 되어 피로수명에 대한 예측이 굉장히 중요하지만, 현재 탭-전극 용접부의 피로수명에 관련된 연구는 매우 부족한 상황이다.
본 연구에서는 탭-전극 용접부의 품질평가를 위해 인장강도와 단면결함 간의 상관관계를 알아보고자 하였다. 인장시험은 탭-전극의 용접품질을 평가를 위하여 가장 손쉽게 수행할 수 있는 시험이다. 인장강도는 비교적 간단한 시험을 통하여 빠른 측정이 가능하여 다양한 공정변수로 제작된 시편의 품질을 빠르게 평가할 수 있는 장점이 있다. 그러나 단면결함의 경우 별도의 시편가공이 필요하며 결함의 분류를 위한 숙련도가 요구된다. 또한 용접부의 크기가 증가할수록 결함의 관찰에 소요되는 시간이 증가하여 다양한 종류의 시편을 평가하기에는 효율적이지 못하다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 공정변수로 제작된 시편에 대해 단면결함의 평가와 인장강도를 측정한 후 두 인자간의 상관관계를 조사하였다. 단면결함의 경우 용접강도별로 관찰된 결함의 형상과 크기에 따라 분류하였으며 모든 시편에 대하여 인장시험을 수행하여 용접강도별로 인장강도를 측정하였다. 이후 동일한 용접강도로 제작된 시편의 인장강도와 결함 간의 상관성을 연구하여 인장강도를 통해 용접부의 결함을 예측할 수 있는 가능성을 제시하였다.
또한 본 논문에서는 인장강도와 피로강도간의 상관성 연구를 진행하였다. 일반적으로 피로강도의 측정은 동일한 축으로 하중이 적용되는 일축피로시험 장비로 수행되지만, 배터리의 경우 사용 환경에 따라 다양한 방향의 주기적인 하중에 노출된다. 이러한 배터리의 사용환경을 고려하여 본 연구에서는 원심력을 이용한 피로시험 방법을 제안하였다. 이후 제안된 피로시험 방법을 이용하여 얻은 피로강도와 인장강도간의 상관관계를 연구하였다.
본 논문을 통하여 측정된 용접단면에 형성된 결함의 수와 인장강도간의 상관성은 용접공정에 따라 최소 87.4%에서 최대 98.3%로 확인되었다. 또한 인장강도와 피로강도간의 상관성은 최소 70.9%에서 최대 96.2%의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 리튬이온배터리의 탭-전극 용접부의 품질평가를 위하여 인장강도와 단면결함과의 상관관계, 인장강도와 피로강도간의 상관관계를 조사하였다. 또한 탭-전극 용접부의 피로강도 평가를 위하여 기존의 방식과 다른 새로운 방식의 피로시험 방법을 고안하여 탭-전극 용접부의 피로수명을 검토할 수 있는 시험방법을 제시하였다.