전고체 전지의 신뢰성 평가

https://www.oeg.co.jp/analysis/allsolid.html#ref2

全固体電池の信頼性評価｜解析（故障／良品）・観察・分析｜OKIエンジニアリング

전고체 전지 단체의 구조 조사부터 기판 실장 평가까지 대응

 

전고체 전지란 불연성 고체 전해질을 사용한 전지입니다.기존 리튬이온전지는 전해액을 사용하지만 전고체전지는 전해액을 사용하지 않아 고온·진공 등 가혹한 환경에서도 안전하게 전력을 공급할 수 있어 향후 산업기기나 차량용 전장기기 등에서 많이 사용될 것으로 전망되고 있습니다. OKI 엔지니어링에서는, 전고체 전지의 기판 실장 평가 및, 전고체 전지 단체의 품질 평가와 불량 원인 특정을 실시합니다.

전고체전지의 종류

전고체 전지는 사용하는 고체 전해질에 따라 황화물계, 산화물계 2종으로 분류됩니다.

 

1) 황화물계
고체 전해질에 유황(S)이 함유돼 있다.습도 등 수분과 S가 반응하면 유해한 황화수소(H2S)가 발생하기 때문에 안전대책이 필요하다.차량 탑재(EV 구동용 배터리) 등 주로 대형 타입에서 볼 수 있지만 소형 타입도 개발되고 있다.

 

2) 산화물계
황화물계와 비교하면 유해물질(황화수소 등)의 발생이 없어 안전성이 높다. 모바일·웨어러블 등 주로 소형 타입의 전지가 많다.세라믹 콘덴서와 구조가 유사하다.

 

또한 전고체 전지의 구조에 따라 벌크형, 박막형 2종으로 분류됩니다.

1) 벌크형
리튬이온전지와 구조는 유사하지만 고체전해질을 사용하는 점이 다르다.분체를 조합하여 어느 정도 높이가 있는 타입.황화물계와 산화물계의 2종이 있다.

 

2) 박막형
스퍼터법, 진공증착법 등에 의해 박막으로 전극을 만들고 전극상에 박막 전해질을 쌓아 적층하여 제작한다.소형 타입, 산화물 계열.

산화물계 전고체 전지와 세라믹 콘덴서는 구조가 유사합니다.이 두 가지 구조 비교 예를 소개합니다.

기판 실장시·제품 조립시의 문제점

 

1) 기판 실장시의 문제점

기판 실장시(리플로우)의 열적인 응력 및 기판에의 실장 후의 기판의 굴곡에 의한 기계적인 응력에 의해 전고체 전지 본체에 크랙이 발생할 우려가 있습니다.또, 전고체 전지와 기판과의 팽창 계수의 차이가 크므로 온도차가 큰 환경하의 사용에서는 실장 후의 솔더 접합부의 크랙에도 주의가 필요합니다.

기판 실장 시 기계적 스트레스의 예

납땜의 용량이 많을 경우, 납땜의 수축으로 본체에 크랙이 들어갈 수 있습니다.

실장용 흡착 노즐의 지지점 불량으로 인해 본체 중앙부에 스트레스가 가해져 크랙이 발생할 수 있습니다.

2) 기판 실장 시 열적 스트레스의 예

납땜 수정시 본체와의 인두 온도차로 인해 본체 내부에 열변형이 발생하여 크랙이 들어갑니다.

플로우 솔더 디핑 전에 예열이 불충분하여 허용한도를 초과한 열적 스트레스가 가해질 경우 본체 외부 및 내부에 크랙이 들어갑니다.

제품 조립시 문제점

기판 분할 시의 휘어짐, 임베디드 시의 나사 장착 기판의 굴곡에 의해 전고체 전지 본체에 크랙이 발생할 우려가 있습니다.또, 전고체 전지와 기판과의 팽창 계수의 차이가 크므로, 사용 환경의 온도차가 큰(열피로) 경우는 실장 후의 솔더 접합부의 크랙에도 주의가 필요합니다.

1) 기판 실장 후 기계적 스트레스의 예 (전고체 전지 본체에 대한 스트레스)
실장 후 기판 분할, 기기 나사 등에 의한 장착 시 낙하 충격 등으로 기판이 휘어진 경우 본체에 크랙이 발생할 가능성이 있습니다.

 

2) 사용환경시 열피로스트레스의 예(전고체 전지와 기판 접합부에 대한 스트레스)

 

전고체 전지의 기판 실장 평가

1) 온습도 관련 시험
     - 온습도 사이클을 조합한 신뢰성 시험(가속 시험)을 실시한 후 기판 실장 열화 상황(내부 상태 등) 확인
  

2)  기판 실장 시 영향 평가
      -  흡습에 의한 리플로우 시 영향으로 전고체 전지 본체 균열 확인
      -  기판 분할부 부근에의 실장에 의한 분할 시의 영향에 의한 전고체 전지 본체에의 크랙 확인

3) 납땜 실장 후의 평가
      -  솔더 접합부의 열피로를 모의한 냉열충격시험에 의한 솔더크랙 확인
      -  납땜 접합 강도 측정(전단 강도 측정)
      -  기판 실장 후 기판의 반복 굽힘 시험, 한계 휨 시험이 접합부에 미치는 영향 확인
      -  낙하시험이 솔더 접합부에 미치는 영향 확인

 

기판 실장평가의 모습

전고체 전지 단체의 품질 평가와 불량 원인 특정

신뢰성 시험(가속 시험) 전후의 품질 평가 항목

시장·신뢰성 시험(가속시험)에서 발생한 불량원인을 특정

 

신뢰성 시험(가속 시험) 전후의 품질 평가 사례

① 구성재료 및 막두께 편차 확인
   - 산화물계 전고체 전지의 단면 구조 관찰 예를 소개합니다.

② 기판 실장을 모의한 온도 스트레스 시험 전후의 내부 구조 확인
    - 전자 현미경을 활용하여 산화물계 전고체 전지의 단면을 확인한 예를 소개합니다.

③원소분석·분포
   - 산화물계 전고체 배터리의 원소 분석·분포 사례 소개.