전기 자동차 애플리케이션에서 18650 리튬 이온 배터리 탭을 위한 마이크로 저항 스팟 용접 최적화
Aug 05, 2025전기 자동차(EV)의 인기가 높아짐에 따라 효율적이고 신뢰할 수 있는 배터리 팩에 대한 수요도 계속 증가하고 있습니다. 배터리 팩 제조의 핵심 과제 중 하나는 니켈 탭과 원통형 18650 리튬 이온 셀 사이의 견고하고 내구성 있는 연결을 확보하는 것입니다. 이러한 맥락에서, 마이크로 저항 스팟 용접(micro-RSW)은 비용 효율적이고 확장 가능한 접합 기술로 부상했으며, 특히 전기 자전거 및 스쿠터와 같은 소량 및 중량 생산 분야에 적합합니다.
- 낮은 투자 및 유지 관리 비용
- 국부 가열로 열 손상 감소
- 강력한 기계적 결합을 제공합니다
- 효과적인 전류 전도를 위한 낮은 전기 접촉 저항
연구진은 직렬 전극 구성을 사용하여 0.2mm 두께의 니켈 탭을 0.3mm 및 0.4mm 두께의 Hilumin 단자에 용접했습니다. 다구치 설계와 완전 요인 실험을 결합하여 용접 전류, 용접 시간, 전극 힘과 같은 매개변수의 영향을 체계적으로 분석했습니다.
- 용접 전류와 용접 시간은 접합 강도에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수로 확인되었습니다.
- 최적의 공정 매개변수:
- 0.3mm Hilumin의 경우: 1800~2000A, 8~12ms
- 0.4mm Hilumin의 경우: 1900~2100A, 8~12ms
- 4너겟 용접은 기계적, 전기적 성능을 크게 향상시켰습니다.
- 더 높은 에너지 입력은 접합 강도를 향상시키지만 튀김이나 재료 저하를 방지하기 위해 주의 깊게 관리해야 합니다.
용접 전류(A) | 용접 시간(ms) | 최대 하중(N) |
1400 | 4 | 389.7 |
1800 | 8 | 796.3 |
2000 | 12 | 1071.9 |
2400 | 14 | 1082.3 |
전류(A) | 저항(mΩ) | 온도 상승(0.3mm 히루민, °C) | 온도 상승(0.4mm 히루민, °C) |
10 | 0.84 | 26.1 | 24.0 |
20 | 0.89 | 37.4 | 30.2 |
30 | 1.02 | 63.6 | 54.2 |
마이크로 저항 스팟 용접(micro-RSW) 매개변수 최적화는 단순한 학문적 연구가 아니라 배터리 제조업체에 실질적인 영향을 미칩니다. 대규모 EV 배터리 생산에서는 용접 품질을 조금만 개선해도 에너지 효율, 수명 및 안전성이 크게 향상될 수 있습니다. 용접 전류와 시간을 정밀하게 조정하면 수천 개의 셀에 걸쳐 일관된 접합 무결성을 보장하여 내부 저항 증가나 열 발생을 방지할 수 있습니다.
레이저 용접과 초음파 용접도 셀 탭 연결에 사용되지만, 마이크로 RSW는 단순성, 비용 효율성, 그리고 최소한의 장비 요구 사항으로 유명합니다. 예를 들어 레이저 용접은 더 높은 자본 투자가 필요하고 더 깊은 열 침투를 유발하여 민감한 배터리 부품에 영향을 미칠 수 있습니다. 초음파 용접은 재료 두께와 기계적 고정 장치의 복잡성으로 인해 제한적입니다. 반면, 마이크로 RSW는 국부적인 열 입력, 빠른 사이클 타임, 그리고 확장 가능한 구현을 제공하여 전기 스쿠터, 전동 공구, 경량 EV와 같은 애플리케이션에 이상적입니다.
효과적인 용접을 위해서는 적합한 재료의 선택이 매우 중요합니다. 니켈은 높은 전기 전도성, 우수한 내식성, 그리고 Hilumin과 같은 강철 단자와의 호환성 때문에 선호됩니다. 그러나 이종 금속 간의 열전도도와 융점 차이는 너겟 형성 불균일이나 균열 전파와 같은 문제를 야기할 수 있습니다. 본 연구에서는 0.2mm 니켈 탭과 0.3/0.4mm Hilumin 단자를 사용하여 강도, 전도성, 그리고 제조 용이성의 균형 잡힌 조합을 제공합니다.
EV 배터리 설계의 주요 관심사 중 하나는 고전류 작동 시 발생하는 열입니다. 용접 품질이 좋지 않으면 탭-단자 계면의 전기 저항이 증가하여 줄 열이 발생할 수 있습니다. 본 연구에서 관찰된 바와 같이, 30A 연속 전류에서 접합부 온도는 60°C 이상 상승할 수 있으며, 이는 대부분의 리튬 이온 배터리의 안전 작동 한계(~45°C)를 초과합니다. 따라서 배터리 모듈의 효과적인 열 관리 시스템을 설계하려면 용접부의 열 거동을 이해하는 것이 필수적입니다.
겹침 전단 및 90° 박리 시험과 같은 기계적 시험은 접합 강도 및 파손 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. 계면 파손은 일반적으로 용접 부족 접합부에서 발생하며, 잘 수행된 용접은 풀아웃 파손을 나타내는 경향이 있어 더 강한 야금학적 결합을 나타냅니다. 단면 현미경 검사는 너겟 형성 및 단자판의 변형을 더욱 명확하게 보여줍니다. 이러한 비파괴 및 파괴 시험 방식을 통해 생산 과정에서 견고하고 신뢰할 수 있는 용접만 사용됩니다.
배터리 기술이 계속 발전함에 따라, 특히 고체 배터리, 테이블리스 설계, 고전압 플랫폼의 등장으로 접합 기술 또한 변화해야 할 것입니다. 마이크로 RSW는 여전히 실행 가능한 방법이지만, 지능형 제어 시스템, 실시간 모니터링, 또는 용접 매개변수를 동적으로 조정하기 위한 머신 러닝 알고리즘과의 통합이 필요할 수 있습니다. 또한, 고급 합금, 복합재 탭, 그리고 대체 코팅에 대한 연구를 통해 용접 신뢰성을 더욱 최적화할 수 있습니다.
신뢰할 수 있는 용접은 제품 성능을 보장할 뿐만 아니라 장기적인 지속가능성을 지원합니다. 용접 강도가 일정하게 유지되는 배터리는 조기 고장 가능성이 낮아 교체 빈도와 전자 폐기물을 줄여줍니다. 또한, 잘 접합된 배터리는 자동 분해 시스템을 통해 균일한 용접 영역을 목표로 프로그래밍할 수 있으므로 재활용이 더 쉽습니다. 최적화된 마이크로 RSW는 현대 에너지 시스템의 성능 및 환경 목표 모두에 부합합니다.
이 확장된 연구는 원통형 리튬 이온 전지용 마이크로 RSW에서 매개변수 최적화의 중요성을 재확인합니다. 공정 설계, 소재 선정, 기계적 무결성 및 열적 거동에 집중함으로써 제조업체는 전기 자동차용 배터리 팩 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 전기차 시장이 성장함에 따라, 마이크로 RSW와 같은 견고하고 확장 가능한 용접 솔루션을 도입하는 것은 대규모 품질 유지에 필수적입니다.
