バッテリー試験ソリューション
バッテリーセル、モジュール、パック向けソリューション
電気自動車、家電製品、エネルギー貯蔵、産業用途において高度なバッテリーへの需要が高まり続ける中、バッテリーメーカーは安全性、性能、信頼性、生産効率に対する要求の高まりに直面しています。インストロンは、バッテリー材料、部品、セル、モジュール、パック、完成品の試験ソリューションを提供しています。当社のシステムは、家電製品やウェアラブルデバイスから、電気自動車や定置型エネルギー貯蔵まで、幅広い用途をサポートしています。
材料試験業界のグローバルリーダーであるインストロンは、世界中のバッテリー試験室のニーズに対応し、現地語による迅速な対応が可能な現地サポートを通じて、設置、校正、トレーニング、お客様の試験室で行う装置のアップグレードなど、ダウンタイムの最小化につながる、様々な独自のサービスを提供しています。
EVバッテリー試験の課題を克服する方法
インストロンとITWにおけるサステナビリティ
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バッテリーは、徹底的な試験を必要とする様々な材料、接着剤、溶接部、部品構造で構成されています。インストロンは、バッテリー試験向けの幅広い標準グリップや治具に加え、バッテリー材料や部品の試験効率と再現性を向上させるために特別に設計されたカスタム治具を開発してきました。当社のエンジニアリング・ソリューション・グループは、特定のニーズに合わせたバッテリー用治具の設計に迅速に対応します。
セパレータフィルムは、リチウムイオン電池やその他の液体電解質電池の重要な構成要素です。これらのフィルムに使用されるポリマーは、組み立て時の巻き取り作業や、過度の使用によるアノード上へのリチウムの不均一な析出に耐えられる十分な強度を備えていなければなりません。より安全で強固なセパレータ材料は、アノードとカソードの接触をより効果的に防ぎ、より薄い材料は各バッテリーの軽量化とエネルギー密度の向上に貢献します。
セパレータフィルムの突き刺し試験は、バッテリーのライフサイクル全体を通じて各セルの安全性と寿命を確保するために不可欠です。フィルムは、過度の使用によって形成されるデンドライト（樹枝状結晶）による突き刺しに耐えられる十分な強度が必要です。この用途では、試験片の適切な張り具合と上部プローブのアライメントを確保することが重要です。試験はEN 14477およびASTM F1306に準拠しています。
EN 14477、ASTM F1306などに適合する手動およびエアー駆動の両方の突き刺し試験治具をご用意しています。エアー式治具は、再現性のある締付力と高いスループットを実現します。既存のシステムへの統合は、エアー式グリップを取り付けるだけで簡単に行えます。
引張試験は、セパレータフィルムが製造工程およびバッテリーの寿命を通じてすべての機械的操作に耐えられることを確認するために使用されます。最高の再現性とスループットを実現し、試験前の試験片への損傷を避けるためには、試験片の適切なアライメント、挿入、およびグリップの操作を確実に行う必要があります。人間工学と安全性を向上させながら試験結果のばらつきを抑えるために、高精度試験片ローダーの使用をお勧めします。試験はASTM D882およびISO 527-3に準拠しています。
タイトな巻き取りはセパレータフィルムと電極コーティングの間に機械的負荷を生じさせるため、2つの表面間の摩擦係数を理解することが重要です。摩擦係数をより深く理解することで、生産過程で適切な巻き取りプロセスが行われるようになります。この試験のガイダンスとして、ISO 8295およびASTM D1894-14を使用するのが一般的です。
機械的性能の問題は内部短絡の可能性を高め、熱暴走につながる恐れがあるため、セパレータフィルムの材料選定はバッテリーの完全性にとって不可欠です。衝撃事象に対する突き刺し抵抗の試験は、厚さと重量の削減という追加の目標を掲げつつ、最高の性能を持つ材料を選定するために極めて重要です。
インストロンの自動化システムは、バッテリー試験に新たなレベルの生産性をもたらします。バッテリーの生産量が増え続ける中、需要に対応するためにはスループットと効率が不可欠です。各用途に推奨される機器を備えた自動化システムを活用することで、最適な結果を維持しながら、オペレーターを解放し、スループットを最大化できます。
バッテリーの最も一般的な故障モードの一つは、電極材料のコーティングが割れたり、集電体から剥離したりすることによって引き起こされます。このひび割れや剥離は、通常、バッテリーの絶え間ない充放電や使用時の機械的負荷によって発生します。予測されるライフサイクルの終了前にバッテリーが故障しないようにするために、電極の接着強度と寿命を理解することが重要です。
180°剥離試験は、集電体に対する電極の接着強度を決定するために一般的に使用される方法です。剥離セットアップの機械的利点とアライメントの容易さにより、この試験は低荷重グリップとロードセルを使用して行うことができます。高いスループットと各試験を通じて適切な180°剥離を確実に行うために、エアー式グリップと金属基板の使用を検討するのが最善です。
90°剥離試験は、バッテリーの電極接着力を試験するためのもう一つの一般的な方法です。90°剥離試験は一般に180°剥離試験よりもわずかに高い荷重を伴い、基板を必要としないことが多いため、より迅速にセットアップできます。この試験に対するインストロンの最も一般的なソリューションは、標準の90°剥離試験治具、または電極の接着力を試験するために特別に設計されたエアー式剥離試験治具です。エアー式90°剥離試験治具は、再現性とスループットを向上させると同時に、オペレーターが試験片を90°で一貫して配置および整列させるのを支援します。上部治具には、スループットと再現性を最適化するエアー式グリップが推奨され、デリケートな材料の試験に適しています。
タステストは、バッテリーの集電体に対する電極の接着力を試験する追加の方法として研究者によって支持されています。集電体から電極をゆっくりと剥がす代わりに、タステストはあらかじめ決められた電極の全領域の接着強度に焦点を当てます。非常に高速なデータ収集レートとインストロンのタステスト用治具を組み合わせることで、可能な限り最高の結果とスループットを実現します。
アルミニウム箔と銅箔はバッテリーの集電体として使用され、伝統的に大量に必要とされます。業界が各バッテリーの最適なエネルギー密度を達成するために最小限の材料を使用しようと努める中、バッテリーの安全性と寿命を確保するためには、各箔の機械的特性を理解することが不可欠です。箔がより長く、より薄く、より幅広くなるにつれて、それに伴うシワや破れに対処するために改良された技術が必要となります。この材料の機械的特性を検証し維持することは、バッテリー生産を最適化するために極めて重要です。
標準的な引張試験は、アルミニウム箔および銅箔の試験片の機械的特性を決定するのに最も適切な方法です。エアー式サイドアクショングリップは、これらの大量生産材料に対して迅速なスループットで一定の圧力を提供します。薄い箔はグリップ内でのわずかなミスアライメントの影響を受ける可能性があるため、再現性と試験前の試験片の保護には適切な試験片のアライメントが不可欠です。人間工学と安全性を向上させながら試験結果のばらつきを抑えるために、高精度試験片ローダーの使用をお勧めします。この試験のガイダンスとして、ASTM E345-16を使用するのが一般的です。
バッテリーの生産量が増え続け、材料が薄くなるにつれて、需要に対応するためにはスループットと効率が不可欠です。推奨される機器を備えた自動化システムを活用することで、より薄く、より幅広く、より長い箔試験片の需要に対応できるだけでなく、最適な結果を維持しながら、オペレーターを解放し、スループットを最大化できます。
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リチウムイオン電池やその他の液体電解質電池では、電極、タブ、ケーシング、セルの間に無数の溶接が必要です。最も一般的な故障モードと各溶接の強度を理解することは、バッテリーの寿命を決定するために極めて重要です。各溶接部は、車両やデバイスの内部にあることに伴う機械的負荷に耐える必要があり、これは時間の経過とともに溶接部を摩耗させる可能性があります。バッテリー駆動製品は、振動、取り扱い、輸送、および動作荷重にさらされるため、溶接設計と品質検証においてこれらを考慮する必要があります。
円筒形セルは、組み立て中にカソードタブからセルのキャップへ、アノードタブから缶の底部へ、さらにはタブ同士の個別の溶接など、いくつかの溶接を必要とします。これらすべてにおいて、高いスループットと再現性のある結果を得るためには、適切なアライメントとグリップソリューションが必要です。
角形セルの溶接の大部分は、カソード/アノードタブと各集電体の間、およびバスバー内または缶自体にあります。故障はすべての箇所で発生する可能性があるため、一貫性と耐久性をチェックする必要があります。
ラミネート型セルには、溶接されたアノードまたはカソードタブ、およびセル端子に溶接されたタブがあります。さらに、ラミネート型セルには試験が必要なバスバー溶接があります。適切な治具と試験片のアライメント、および異なるサイズに対応する汎用性の高いソリューションが重要です。
バッテリー業界にますます多くの部品や材料が導入されるにつれ、各設計の品質、強度、安全性、寿命のために試験が必要な機能は無数に存在します。
充放電中のバッテリーの膨張は、試験すべき重要な特性です。一部のセルは、サイクリング中の膨張と収縮が最小限であることが知られています。しかし、角形セルやラミネート型セルは顕著な膨張と収縮を示すことが知られており、各セルの適切な使用と安全性を確保するためにその特性を評価する必要があります。
インストロンの幅広い圧縮圧盤を、標準または高精度の変位センサと組み合わせることで、荷重下でのフォーム材料の挙動を完全に特性評価できます。ユーザーは、複数のサイズと形状が用意されている圧縮圧盤セットを使用して静的または周期的な圧縮試験を実行し、荷重データと局所的な変位データを同期して取得することで、バッテリーセル、モジュール、パック、および電子機器のアセンブリに使用されるフォームやゲルの試験を行うことができます。
さらに、下部圧縮アンビルに加熱プレートを追加して、圧縮面の温度を制御することも可能です。クローズドループコントローラを使用してプレートの温度を制御し、実際の温度読み取り値を試験ソフトウェアに出力します。
インストロンのユーザーは、パックやモジュールのアセンブリに使用される接着剤や溶接部の接合強度を特性評価するために必要な、重要な重ね合わせせん断試験を実行するために、手動グリップとエアー式グリップのいずれかを選択できます。バーコードや測定寸法からの重ね合わせせん断試験片情報に基づいて、グリップを横方向に整列させる特殊な自動化ソリューションも提供可能です。
材料、セル、モジュール、パックはすべて、環境条件の変化によって性能が異なる場合があります。インストロンの試験フレームに統合された環境試験槽により、ユーザーは試験空間の環境を監視および制御しながら、荷重下で試験片を試験することができます。
衝撃試験システム
落錘式システムは、中速から高速（通常は突き刺しまたは点押し込み）での衝撃荷重を加え、測定するために使用されます。単一打撃試験は、入射速度とエネルギー（1〜24m/s、最大1800J）の観点から制御されます。
疲労試験システム
低荷重から中荷重の容量を必要とする試験に使用されるこれらのマシンは、最大100 Hz（1m/sを超える過渡運動または40Gの加速度）での疲労および周期荷重が可能ですが、静的試験にも使用できます。
電気油圧式高速材料試験システム
これらの高度に専門化された試験システムは、高荷重で最大25m/sの速度で試験でき、衝突条件下での材料の特性を決定するために一般的に使用されます。また、突き刺し試験や圧壊試験にも使用できます。
自動
試験システム
試験装置は、自動試験片測定装置から完全なロボットシステムに至るまで、ますます自動化が進んでおり、バッテリー業界全体の試験室が増大する試験量により効率的に対処できるよう支援しています。