코인 셀 배터리 안전성과 열 안정성을 새로운 기술로 평가하다
Coin Cell DSC가 별도의 분리없이 전체 배터리셀의 열 안정성 테스트를 어떻게 용이하게 하는가
Morgan Ulrich | Hang Lau
2026년 6월 16일
배터리 열 안정성 측정
열 안정성은 열에 노출되었을 때 물질이 열화에 저항하는 능력을 의미합니다. 배터리 개발자에게 다행인 점은, 열유동을 측정하기 위한 잘 확립된 재료 과학 기술이 있다는 것입니다. 시차 주사 열량 측정법(DSC). Waters 재료 과학 부서의 DSC 기기는 1970년대부터 폴리머, 제약 및 기타 재료 과학 연구에서 널리 사용되어 왔습니다.
DSC는 배터리 연구자와 개발자가 배터리 소재의 열 안정성과 분해를 연구하는 데 사용하지만, 전통적인 DSC는 배터리 테스트를 위해 설계되지 않았습니다. 현재의 작업 유동은 배터리 셀을 분해하여 DSC에서 개별 재료를 테스트하는 것을 포함하지만, 재료를 개별적으로 테스트하면 그들의 열 안정성이나 교차 반응의 전체 범위를 드러내지 못할 수 있습니다. 전체 셀의 안전성 테스트는 개발 후반으로 지연되며, 종종 비용이 많이 들고 시간이 소요되는 수정으로 이어집니다.
배터리 안전성 테스트를 위한 혁신적인 솔루션
Waters TA Instruments™ Coin Cell DSC (코인 셀 시차주사열량계)는 배터리 연구자와 개발자가 분해 없이 전체 코인 셀의 안전성과 성능을 직접 평가할 수 있게 합니다. 이제 전체 셀 테스트는 개발 초기 단계에서 이루어질 수 있습니다. 이러한 테스트는 자가 가열 또는 열폭주로 이어질 수 있는 반응을 식별하여 배터리 개발을 안내할 수 있습니다. 그런 다음 개발자는 이 데이터를 후반 안전성 테스트와 연관시켜 배터리 안정성에 대한 전체적인 그림을 얻을 수 있습니다.
배터리는 온도 변화나 과충전/과방전으로 인해 열화될 수 있으므로, Coin Cell DSC는 반응 유발 요인과 그에 따른 열적 현상을 포착하도록 설계되었습니다. 목적에 맞게 설계된 코인 셀 캡슐은 전체 온도 범위에서 완전한 열흐름(Heat flow) 신호를 포착하여 온도 변화가 배터리 내에서 반응을 유발할 수 있는 방법을 드러냅니다. 통합된 전선 연결은 셀의 열적 고장 중에 전압 모니터링을 제공하여 열 프로세스를 전기화학 데이터와 연관시킬 수 있게 합니다.
다음 실험은 Coin Cell DSC에서 얻은 주요 배터리 안전성 측정을 보여 줍니다.
열폭주 시작 온도
열폭주는 중요한 고온이 발열 반응을 유발하여 추가적인 온도 상승으로 이어질 때 발생합니다. 시작 온도와 결과 반응을 파악하는 것은 실패 예측 및 더 안전한 배터리 설계에 있어 매우 중요합니다.
다음 예에서 NMC 코인 셀 배터리는 600°C로 상승시켜 반응의 네 단계를 드러냈습니다.
- 비가역적인 셀 분해의 시작 온도
- 방출 기체 분석을 위한 가스 배출을 가능하게 하는 분리막 용융 및 코인 셀 개스킷 용융
- 전해질과 활성 물질의 열 분해 및 교차 반응
- 개스킷의 열 열화 및 활성 물질과의 고온 반응
완전한 코인 셀 배터리의 이 온도 상승은 Coin Cell DSC의 매우 민감한 센서에 의해 가능해졌습니다. 이 기술은 더 정확한 시작 온도 분석을 제공하며 복잡한 반응 메커니즘의 특성화를 지원합니다.
배터리 단락 분석
배터리가 단락되고 기능을 잃는 정확한 시점을 파악하는 것은 엔지니어링 및 설계에 있어 매우 중요합니다. 전압 모니터링은 배터리의 충전 상태를 측정하고 내부 단락 또는 전압 강하가 발생할 때 전기화학 신호를 감지하여 변화를 초래하는 반응을 연관시킵니다.
다음 그림은 단락이 발생하기 시작하는 시점을 보여 줍니다. 이 전압의 급격한 하락은 단락을 나타내며, 그 뒤에 셀이 완전히 실패하고 전압이 0V로 떨어집니다. 배터리 단락을 정확히 파악하는 것은 배터리 개발자가 설계가 일반 사용 조건에 안전한지 또는 더 높은 온도를 견딜 수 있도록 재설계해야 하는지를 결정하는 데 도움이 됩니다. 삽입된 그래프는 119°C에서 반응 열유동이 시작되어 130°C에서 전압이 감소하는 것을 보여주며, 이는 열화의 초기 징후를 드러냅니다.
배터리 안전 테스트의 다양성
위에서 보여준 단락 및 열폭주 시작 온도를 식별하는 것 외에도, 배터리 개발자는 배터리가 안전 기준을 초과할 경우 반응 및 오프가스 조성을 이해해야 합니다. 오프가스 분석은 반응 중 방출되는 가스를 드러내며, 이산화탄소, 산소, 탄화수소 및 기타 분해 생성물이 포함됩니다. 이 가스를 식별하는 것은 배터리가 실패할 때 더 큰 안전 및 화재 위험을 초래하는지를 판단하는 데 필수적입니다.
마지막으로, 이 모든 데이터는 이를 분석할 수 있는 능력만큼 강력합니다. Coin Cell DSC의 TRIOS 소프트웨어는 기기 제어, 데이터 분석 및 보고에서 탁월한 사용자 경험을 제공합니다. 내장된 템플릿은 일반적인 코인 셀 배터리 안전 테스트 방법을 용이하게 합니다. TRIOS는 전압 모니터링, 오프가스 분석 및 열유동 측정을 포함한 다양한 테스트 모드의 데이터를 효율적으로 결합합니다.
Coin Cell DSC에 대해 더 알아보고 Waters Materials Sciences의 배터리 전문가에게 추가 정보를 문의할 수 있습니다.
