각형 셀 커버는 각형 리튬 배터리 셀의 상단 개구부를 밀봉하는 구조적 캡 또는 뚜껑입니다. 전극 스택과 전해질이 직사각형 금속 캔 내부에 배치되면 셀 커버를 상단에 용접하거나 압착하여 밀봉된 인클로저를 만듭니다. 단순한 화장품 뚜껑이 아닌 프리즘 셀 커버 여러 가지 중요한 기계, 전기 및 안전 기능을 동시에 수행하는 정밀 엔지니어링 부품입니다.
커버에는 전류가 셀에 들어오고 나가는 양극 및 음극 터미널 포스트, 최종 밀봉 전에 셀을 액체 전해질로 채우기 위해 제조 중에 사용되는 전해질 주입 포트, 셀이 과충전되거나 열 폭주가 발생할 경우 내부 가스를 안전하게 방출하는 압력 완화 통풍구 또는 방폭 밸브 등 여러 핵심 요소가 포함되거나 통합되어 있습니다. 많은 설계에서 셀 커버에는 각 단자 포스트 주위에 세라믹 또는 폴리머 절연 씰이 통합되어 일반적으로 전위가 다른 단자와 금속 하우징 사이의 단락을 방지합니다.
각형 배터리 셀 커버는 전기 자동차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기 버스의 대형 LiFePO4(인산철리튬) 셀부터 노트북, 전동 공구 및 의료 기기의 소형 각형 리튬 이온 셀에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 사용됩니다. 커버의 특정 디자인, 치수, 재료 및 기능 세트는 셀의 용량, 화학적 특성 및 사용 목적 환경에 따라 크게 달라집니다.
프리즘형 셀 엔드 커버는 단일의 평평한 금속 조각이 아닙니다. 이는 전체 셀 설계 내에서 각각 특정 기능을 수행하는 여러 구성 요소를 통합하는 하위 어셈블리입니다. 커버에 무엇이 내장되어 있는지 이해하면 교체품을 조달하거나 배터리 팩을 설계할 때 품질과 호환성을 평가하는 데 도움이 됩니다.
양극 및 음극 단자 포스트는 셀 덮개를 통해 돌출된 두 개의 전도성 기둥입니다. 대부분의 대형 각형 LiFePO4 셀에서 양극 단자는 알루미늄으로 만들어지고 음극 단자는 구리로 만들어지며, 이는 셀 내부 집전체 재료와 일치하고 접촉 저항을 최소화하도록 선택됩니다. 각 단자 포스트는 덮개에 정밀하게 가공된 구멍을 통과하며, 일반적으로 폴리프로필렌(PP), 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 또는 세라믹 복합재로 만들어진 꼭 맞는 세라믹 또는 폴리머 절연 씰에 의해 덮개 본체로부터 격리됩니다. 이 씰은 진동, 열 주기 및 팩 조립 중 터미널에 버스 바 볼트를 조일 때 발생하는 기계적 응력을 견디는 동시에 전해질 증기에 대해 기밀하고 누출 없는 장벽을 유지해야 합니다.
제조 과정에서 셀은 전해액 없이 건식으로 조립되고, 커버는 용접된 후 커버에 있는 작은 충전 포트를 통해 전해액이 주입됩니다. 충전 및 형성 주기 후에 이 포트는 레이저 용접 또는 압입식으로 제자리에 끼워진 강철 또는 알루미늄 볼로 영구적으로 밀봉됩니다. 완성된 셀에서 밀봉된 주입 포트는 커버 표면에 작은 돌출된 원 또는 플러그로 표시됩니다. 현장 반환 또는 손상된 셀의 경우 부적절하게 밀봉된 주입 포트가 전해질 누출의 원인이 될 수 있습니다.
안전 통풍구는 각형 배터리 셀 커버의 가장 중요한 기능 중 하나입니다. 이는 셀 설계에 따라 일반적으로 0.6~1.2 MPa 범위의 특정 내부 압력 임계값에서 파열되도록 설계된 정밀하게 점수가 매겨지거나 얇은 금속 영역(종종 십자형 또는 원형 홈)입니다. 전해질 분해 또는 열 폭주로 인한 내부 가스 압력이 이 임계값에 도달하면 통풍구가 제어된 방식으로 열리고 가스가 방출되어 셀이 폭발적으로 파열되는 것을 방지합니다. 통풍구는 일회성 수동 안전 장치로 설계되었습니다. 일단 활성화되면 셀은 고장난 것으로 간주되어 서비스에서 제거되어야 합니다. 손상되거나 부식되었거나 이전에 활성화된 통풍구가 있는 덮개는 심각한 안전 위험이므로 즉시 교체해야 합니다.
일부 각형 셀 커버(특히 가전제품 및 특정 자동차 셀에 사용되는 셀 커버)는 커버 바로 아래에 전류 차단 장치(CID)를 통합합니다. CID는 안전 통풍구가 열리기 전에 내부 압력이 하한 임계값 이상으로 상승하는 경우 터미널 포스트에서 내부 전극 연결을 분리하는 기계식 스위치입니다. 이는 초기의 비파괴 수준의 과전류 및 과충전 보호 기능을 제공합니다. 모든 각형 셀 설계에 CID가 포함되어 있는 것은 아닙니다. 대형 셀은 일반적으로 1차 보호를 위해 배터리 관리 시스템(BMS)을 사용하고 최후의 수단인 기계적 안전 장치로 통풍구를 사용하기 때문입니다.
리튬 각형 셀 커버의 재료 선택에는 무게, 내부식성, 열 전도성, 용접성 및 비용 간의 신중한 균형이 필요합니다. 잘못된 재료 선택은 커버의 전해질 부식, 레이저 용접 품질 저하 또는 중량에 민감한 EV 애플리케이션의 과도한 중량으로 이어질 수 있습니다.
| 소재 | 일반적인 사용 | 주요 장점 | 키 제한 |
| 알루미늄 합금(1060, 3003) | EV, ESS, LiFePO4 셀 | 경량, 우수한 레이저 용접성, 내식성 | 같은 두께의 강철보다 강도가 낮음 |
| 스테인레스강(SUS304) | 고압 셀, 특수 응용 분야 | 고강도, 우수한 내화학성 | 더 무겁고 비용이 높으며 용접이 더 어렵습니다. |
| 냉간압연강판(SPCC) | 저비용 소비자 셀 | 저렴한 비용, 우수한 성형성 | 코팅하지 않으면 부식되기 쉬움 |
| 니켈 도금 강철 | 가전제품 셀 | 나강에 비해 향상된 내식성 | 가혹한 조건에서 도금 성능이 저하될 수 있음 |
EV 배터리 팩에 사용되는 최신 대형 각형 LiFePO4 셀의 경우 1.0~1.5mm 두께 범위의 알루미늄 합금 커버가 업계 표준입니다. 알루미늄은 리튬 셀에 사용되는 비수성 전해질 용매와 호환되며, 알루미늄 셀 캔과의 뛰어난 레이저 용접 접합을 제공하고, 전체 셀 무게를 최대한 낮게 유지합니다. 이는 수천 개의 셀이 단일 차량 배터리 팩에 조립될 때 중요한 요소입니다.
각형 배터리 셀 커버를 제조하려면 여러 정밀 공정이 필요하며, 커버를 셀 본체에 부착하는 데 사용되는 밀봉 방법은 전체 셀 조립 공정에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 씰에 결함이 있으면(심지어 핀홀이라도) 전해질 누출, 습기 침투 및 조기 셀 고장이 발생할 수 있습니다.
커버 플레이트 자체는 알루미늄 시트 또는 강철을 정밀하게 스탬핑하여 생산됩니다. 터미널 포스트 구멍, 벤트 홈 및 주입 포트 구멍은 일반적으로 동일한 스탬핑 다이 또는 2차 가공 작업에서 형성됩니다. 엄격한 치수 공차가 중요합니다. 일관된 용접 접합을 보장하려면 커버가 셀 캔 개구부에 정확하게 맞아야 합니다. 대량 셀 생산의 경우 커버는 비전 시스템과 레이저 측정 장비를 사용하여 100% 치수 검사를 통해 매월 수백만 개를 생산할 수 있는 자동화된 스탬핑 라인에서 생산됩니다.
단자 포스트는 하위 조립 공정에서 절연 씰을 사용하여 커버에 조립됩니다. 씰 소재는 터미널 포스트 주변에서 압축 성형되어 커버 구멍에 압착되어 전기 절연과 밀봉 씰을 모두 제공하는 기계적 억지 끼워맞춤을 생성합니다. 그런 다음 어셈블리는 커버가 다음 생산 단계로 이동하기 전에 씰 무결성을 확인하기 위해 헬륨 누출 테스트를 거칩니다. 누출된 터미널 씰은 일단 셀이 조립되면 수리할 수 없기 때문에 씰 실패율은 고품질 셀 제조에서 백만분의 일 수준으로 유지됩니다.
셀 내부가 조립되고 커버가 캔 위에 배치되면 커버 가장자리와 캔 벽 사이의 접합부가 연속 레이저 용접으로 밀봉됩니다. 현대의 프리즘 셀 생산 라인은 단 몇 초 만에 커버 전체 둘레에 일관되고 좁은 용접 비드를 생성하는 고출력 파이버 레이저를 사용합니다. 레이저 매개변수(파워, 속도, 초점 위치, 보호 가스 흐름)는 실시간으로 엄격하게 제어되고 모니터링됩니다. 용접 후 모든 셀은 셀을 테스트 챔버에 배치하고 용접 결함을 통해 빠져나가는 헬륨을 질량 분석기로 감지하는 헬륨 누출 테스트를 거칩니다. 누출 테스트에 실패한 셀은 즉시 폐기됩니다.
교체용 각형 셀 커버를 조달하거나 새로운 배터리 팩을 설계할 때 가장 실질적인 과제 중 하나는 치수 호환성입니다. 국제적으로 표준화된 크기(18650, 21700, 26650 등)를 갖는 원통형 셀과 달리 각형 셀은 보편적인 표준을 따르지 않습니다. 셀 크기는 제조업체마다, 심지어 동일한 제조업체의 제품 세대 간에도 크게 다릅니다.
각형 배터리 셀 커버를 지정하거나 소싱할 때 다음 치수가 정확하게 일치해야 합니다.
소량 맞춤형 셀 생산을 위한 커버를 소싱하는 배터리 팩 설계자, 손상된 부품을 교체하는 수리 기술자, 새로운 공급업체를 평가하는 배터리 제조업체 등 각형 셀 커버의 품질을 평가하려면 가격과 치수 적합성 이상의 여러 특정 특성을 확인해야 합니다.
평판이 좋은 공급업체는 커버에 사용되는 알루미늄 또는 강철에 대한 재료 인증서(밀 인증서)를 제공하여 합금 등급, 기계적 특성 및 화학 성분을 확인합니다. 자동차 품질 표준(IATF 16949) 또는 안전 규정이 적용되는 응용 분야의 경우 원자재부터 완제품까지 완전한 재료 추적성이 기본 요구 사항입니다. 확인되지 않거나 성분을 알 수 없는 재활용 금속으로 만든 커버는 경도가 일정하지 않고, 용접성이 낮으며, 통풍구 활성화 동작이 예측할 수 없습니다.
씰 무결성에 대한 들어오고 나가는 검사 프로토콜에 대해 공급업체에 문의하십시오. 고품질 커버에는 문서화된 누출 테스트 결과가 있어야 하며, 이상적으로는 헬륨 질량 분석기 또는 이에 상응하는 도구를 사용하여 수행해야 합니다. 적절하게 밀봉된 각형 셀 커버 단자 절연체에 허용되는 누출율은 일반적으로 1×10⁻⁷ Pa·m³/s 미만입니다. 테스트 데이터를 제공할 수 없거나 육안 검사에만 의존하는 공급업체는 주의해서 대해야 합니다.
커버의 벤트 홈 스코어링은 지정된 압력 범위 내에서 벤트가 안정적으로 활성화되도록 일정한 깊이로 가공되어야 합니다. 마모된 툴링이나 열악한 공정 제어로 인해 벤트 홈 깊이가 가변적인 커버는 너무 일찍 벤트되거나(정상적인 팽창 시 셀 성능 저하) 실제 오류 발생 시 올바른 압력으로 벤트하지 못할 수 있습니다. 샘플 로트 전체의 활성화 압력 분포를 보여주는 벤트 활성화 압력 테스트 데이터를 공급업체에 요청합니다.
커버 가장자리와 셀 캔 사이의 결합 표면은 깨끗하고 평평해야 하며, 버, 산화 또는 오염이 없어야 합니다. 스탬핑 작업으로 인한 오일 잔여물은 레이저 용접 전에 완전히 제거해야 합니다. 적은 양의 오염이라도 용접 다공성과 약한 접합을 유발할 수 있기 때문입니다. 가장자리에 스탬핑 버가 있는지 확대하여 커버를 검사하고 스탬핑 후 청소 프로세스가 레이저 용접 호환성에 대해 검증되었는지 공급업체에 확인하십시오.
각형 리튬 셀에 문제가 발생하면 덮개에서 가장 먼저 눈에 띄는 징후가 나타나는 경우가 많습니다. 커버 고장 모드를 인식하면 셀 또는 팩 문제의 근본 원인을 보다 정확하게 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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