비 이차 항복함수를 이용한 리튬-이온 배터리 파우치의 이방성 및 성형성 예측

Abstract

본 연구에서는 리튬-이온 배터리 파우치 재료에 대한 기계적 거동을 분석하고 성형성을 예측하였다. PP-Al-PA-PET의 총 4개의 금속 및 고분자 층으로 이루어진 리튬-이온 배터리 파우치의 물성은 등변형률 가정을 통한 균질화법을 적용하였으며, 이에 따라 전체 재료를 하나의 가상 재료로 가정하였다. 이를 위하여 금속의 경화 모델과 고분자의 경화 모델이 선형 결합된 새로운 경화 모델을 적용하였으며 일축 인장 시험에서의 파단점이 일치하게 나타나도록 유한요소해석을 통해 선형 결합 비를 최적화하였다. 소성 모델을 위한 항복 함수는 이차 항복함수인 Hill1948 모델과 비 이차 항복함수인 Yld2000-2d 모델을 적용하여 최적화를 진행하였으며, 등 이축 이방성에 대해서는 유한요소해석에 의한 역해석법 및 Yld96 이방성 항복함수를 이용하여 이방성 물성인자를 결정하였다. Nakazima 성형 한계 시험을 통해 성형 한계점들을 측정하였으며, 대표적인 성형 한계 계산이론인 M-K 모델을 이용하여 성형 한계도를 예측하였다. 계산 결과, 비 이차 항복함수인 Yld2000-2d 모델을 적용한 성형 한계 곡선이 실험과 부합하였다. 또한, 예측된 성형 한계도를 검증하기 위하여 사각 컵 드로잉 시험을 수행하였으며, 유한요소해석을 통한 해석 결과에서 파단 위치 및 파단 시점에서의 펀치 변위 등을 잘 예측함을 확인하였다.

In this thesis, the mechanical properties and formability of the lithium-ion battery pouch were investigated using both experiments and numerical method. A homogenization approach was applied to the lithium-ion battery pouch which consists of four layers of PP-Al-PA-PET. The commonly employed iso-strain assumption was used for the homogenization, and thus the entire material was simplified as a single virtual homogenized material. To consider the combined hardening behavior of the metal and polymer layers, a combined hardening model based on the linear combination of typical hardening laws for metals and polymers was proposed. The combination ratio for hardening was iteratively optimized by fitting the fracture point between the results of a finite element analysis and uniaxial tensile experiment. For the modeling the anisotropy of the pouch material, the quadratic yield function Hill1948 model and a non-quadratic yield function Yld2000-2d model were employed. The anisotropic coefficients of the two yield functions were determined from tensile tests conducted at different orientations, an inverse analysis, and a Yld96 yield function for the equi-biaxial stress-related anisotropic parameters. The formability of the pouch sheet was estimated by measuring the forming limit based on the Nakazima test. The forming limit curve was numerically calculated by the M-K theory using the proposed combined hardening law and yield function. The result showed that the non-quadratic yield function Yld2000-2d, effectively predicted the experimentally measured forming limits. Finally, the formability was validated by comparing the calculated failure behavior of the pouch sheet with the square cup drawing experiment. The finite element simulation could accurately predict the punch displacement at the onset of fracture and its location.