배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구 = A study on the evaluation and analysis of mechanical behavior and electrochemical performance based on the number of cells

국문 초록 (Abstract)

배터리 셀 개수에 따른 기계적 거동과 전기화학적 성능 평가 및 분석 연구 논문제출자 임 현 우 지 도 교 수 송 지 환 리튬이온 배터리는 구동 과정에서 리튬이온의 (de-)intercalation 에 의한 기계적 거동을 보이며, 사이클이 반복됨에 따라 SEI 층의 성장, 가스 생성 등에 의해 비가역적 두께 성장이 발생한다. 특히, 멀티 셀로 구성된 모듈 또는 팩은 단일 셀과는 다른 전기화학적/기계적 거동을 보일 것이라 예상되며, 이는 모듈 또는 팩의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 멀티 셀에 대한 평가 기법을 활용하여 배터리의의 기계적 거동 및 전기화학적 성능 분석이 필요하다. 본 연구에서는 리튬이온 배터리의 멀티 스케일 평가를 수행하고, 기계적 전기화학적 분석이 수행되었다. 실험 조건은 각각 배터리 셀의 개수와 구동 온도에 따라 구성되었으며, 100 사이클 동안의 기계적 변형 및 응력과 전기화학적 성능 측정 실험을 수행하였다. 이 과정에서 멀티 셀로 구성하였을 때 셀의 개수에 비례한 값보다 큰 변형이 나타나는 특성을 발견하였다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 동일한 압력이 가해질 때 셀 개수에 따라 발생하는 압축 특성을 분석하였다. 이를 통해, 셀의 개수가 증가함에 따라 하나의 셀에서 발생하는 압축양이 감소하는 양상이 확인되었으며, 단일 셀과 비교하여 더 큰 압력이 생성되는 멀티 셀 조건에서 더 빠른 용량 퇴화가 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 압축 특성 차이로 인한 배터리의 변형 양상의 차이의 발현 현상을 확인하기 위해 추가적으로 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려된 전기화학적 반응 역학 기반의 두께 변화 예측 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 결과, 셀 개수에 따른 압축 특성을 고려한 경우가 그렇지 않은 경우에 비하여 실제 실험과 유사한 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 보다 정확한 모듈 또는 팩 설계 및 두께 예측 모델 개발에 배터리 셀 개수에 따른 압축 특성이 고려되어야 함을 시사하고자 한다. 더 나아가, 본 연구 결과는 배터리의 기계적 안정성 및 전기화학적 성능 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅰ
• 그 림 목 차 ⅰ
• 국 문 요 약
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경1
• (1) 리튬이온 배터리의 기계적 거동의 영향1
• (2) 기존의 리튬이온 배터리 기계적 거동 평가 기법2
• (3) 멀티 셀에 대한 기계적 거동 분석 기법2
• (4) 본 연구의 필요성3
• Ⅱ. 배터리 기계적 거동 및 성능 평가 방법 4
• 1. 리튬이온 배터리 평가 셋업4
• 2. 실험 조건 설정 및 방법8
• Ⅲ. 리튬이온 배터리 두께 변화 모델링11
• 1. 리튬이온 배터리 전기화학 모델링 11
• 2. 전기화학 반응에 의한 두께 변화 모델링14
• (1) 가역적 두께 변화14
• (2) Solid Electrolyte Interphase 층 성장15
• (3) 리튬 도금17
• (4) 전체 두께 변화18
• 3. 모델링 변수19
• Ⅳ. 실험 및 시뮬레이션 결과21
• 1. 배터리 사이클 실험 결과21
• 2. 두께 변화 시뮬레이션 결과37
• Ⅴ. 결 론 42
• 참 고 문 헌 44
• ABSTRACT 48
• 감사의 글 49