배터리 노후화 과정, 특징(Battery degradation, Aging)

 

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쿨롬 효율(Coulombic Efficiency)와 Degradation

제프 단(Jeff Dahn) 교수는 리튬이온 배터리(Li-ion Battery)의 수명을 쿨롬 효율(Coulombic efficiency)을 사용해서 측정하였습니다. 쿨롬 효율(Coulombic efficiency)은 CE라고 표기하고 충방전 동안에 전자(Electron) 이동의 완료를 CE로 정의 합니다. CE의 효율이 좋아질 수 로 배터리의 수명이 높아지게 됩니다. 

 

 

 

1. 충전 시(Charging) 리튬은 리튬은 음극(Anode, Negative electrode)로 이동하게 되고 전압 차이가 발생함
2. 방전 시(Discharging) 리튬을 제거하는 것이 배터리를 완전히 reset 하는 것이 아님
3. SEI(Solid electrolyte interface)라는 리튬으로 구성된 필름층이 음극 표면에 형성됨
4. SEI 필름층이 두꺼워 지면서 최종적으로 Graphite Anode와의 연결을 끊음 
5. 양극(Cathod, Positive electrode)에서도 electrolyte oxidation이라는 유사한 층이 형성. Jeff 교수에 따르면 전압이 4.1V/cell 이상에서 해당 현상이 심해짐.

 

3~5번 과정에 의해 Degradation이 진행됩니다. 여기서 중요 포인트는 전압이 높을 수록 더 빠르게 Degradation 이 발생합니다. 

 

 

EV 전기 차량과 유사하게 인공위성도 최소 수명이 8년은 보장되어야 합니다. 8년 보장을 위해 셀당 전압은 3.9V 이하에서 충전하는 사이클(40,000cycle, 8년, 60%로 용량 감소)을 가집니다. 나사의 연구에 따르면 4.1V 이상 리튬이온 배터리를 유지할 때 셀이 Electrolyte oxidation 때문에 분해(Decompose)되고 SEI때문에 용량이 감소한다는 사실을 발견했습니다.

 

• Electrolyte oxidation, 양극 : 셀 분해 발생
• SEI, 음극 : 셀 용량 (Capacity)감소

 

 

 

CE(Coulombic efficiency) 측정은 앞서 Degradation의 원인인 리튬 SEI와 electorlyte oxidation를 잴 수가 있습니다. 단위는 이상적인 배터리의 경우 1로 보고 계산됩니다. CE에 영향을 주는 요소는 아래와 같습니다.

 

• 온도
• Crate

https://batteryuniversity.com/article/bu-808b-what-causes-li-ion-to-die

 

 

 

 

 

첨가제(Additives)에 따른 쿨롬 효율(Coulombic Efficiency)

전해액(Electrolyte)에 첨가제를 추가하는 것으로도 리튬이온 배터리 셀의 효율에 큰 변화가 있었습니다. 그렇기 때문에 첨가제 성분 및 배율은 제조사의 기업비밀이 되고 있습니다. 예를 들어 1~2%의 vinylene carbonate를 전해액에 추가할 경우 SEI와 Electrolyte oxidation 감소 효과와 CE의 증가를 가져 올 수 있습니다. 

 

여러 첨가제를 추가하는 것은 환자가 여러가지 약을 처방받는 것과 같이 첨가제 간에 서로 영향을 줄 수 있습니다. CE를 측정하게 되면 몇년간에 관찰로 첨가제의 효과를 아는 것이 아닌 몇주안에 첨가제의 효과를 확인할 수 있습니다. 

 

아래 자료는 Dalhousie 대학에서 5가지 샘플에 다른 첨가제를 넣고 CE와 수명을 확인한 결과 입니다. 

 

https://batteryuniversity.com/article/bu-808b-what-causes-li-ion-to-die

 

위 그림에서 짧은 사이클안에 CE 값이 결정되고 높은 CE일 수록 수명이 길다는 것을 확인할 수 있습니다. 

 

 

위 그림은 C-rate에 따른 사이클당 용량 감소를 보여 줍니다. 급속 충방전은 결국 빠른 Degradation의 원인이 됩니다. 

 

 

 

 

 

배터리 수명(Longevity) 증가 사례

테슬라는 최근 차량 모델에서 배터리의 Stress를 줄이기 위해서 배터리 팩 사이즈를 키워서 사용하는 C rate를 0.25Crate에 맞췄습니다. 결국 Crate의 감소로 수명을 최대로 증가시킬 수 있었씁니다. 

 

물론 배터리 팩 사이즈의 증가는 차량 무게의 증가로 에너지 효율을 떨어뜨리고 배터리 비용 증가로 차량의 비용증가라는 단점이 있습니다.

 

 

원문>>

https://batteryuniversity.com/article/bu-808b-what-causes-li-ion-to-die