리튬이온 배터리의 과방전 영향 분석: 음극 소재별 성능 저하 및 안정성 비교 연구(Overdischarge, Lithium-Ion Battery, Degradation, Safety, Anode, Graphite, Deposition, DOD, Thermal Runaway)

 

목차

• 연구 배경
• 실험 방법 및 분석

 

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참조 논문>> Experimental Investigation of Overdischarge Effects on Commercial Li-Ion Cells: Carla Menale, Stefano Constà, Vincenzo Sglavo, Livia Della Seta andRobertoBubbico

 

 

연구 배경

 

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 가지며, 스마트폰과 노트북 같은 휴대용 전자기기부터 전기차, 항공우주 및 전력망 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 배터리는 열적 불안정성(Thermal Instability)이라는 문제를 안고 있으며, 특정한 조건에서 안전성과 신뢰성에 심각한 영향을 받을 수 있다.

일반적으로 리튬이온 배터리는 정상적인 작동 중에도 열을 발생시키며, 대부분의 경우 이 열은 외부로 적절히 방출된다. 그러나 오용(abuse) 조건이 발생하면 내부 온도가 급격하게 상승하여 추가적인 발열 반응이 일어나고, 이는 결국 배터리 고장으로 이어질 수 있다. 이 과정에서 심각한 경우 열 폭주(Thermal Runaway)가 발생하며, 화재나 폭발로 이어질 가능성이 있다.

이러한 오용 조건은 원인에 따라 전기적, 기계적, 열적 오용으로 나뉜다. 전기적 오용의 대표적인 예로는 과충전(overcharge)과 과방전(overdischarge)이 있으며, 이들은 배터리의 성능 저하뿐만 아니라 내부 화학 반응을 유발하여 안정성을 저하시킬 수 있다. 지금까지 많은 연구가 과충전, 단락(short circuit), 고온 환경 등의 위험성에 초점을 맞추어 왔으나, 상대적으로 과방전에 대한 연구는 부족한 상태이다.

과방전은 배터리가 정상적인 방전 임계값을 초과하여 지속적으로 방전되는 상황을 의미하며, 이는 전기차와 같은 고전압 시스템에서 셀 간 불균형(cell imbalance)으로 인해 발생할 가능성이 높다. 일반적으로 배터리 시스템은 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 통해 이러한 위험을 감지하고 방지하지만, BMS의 오작동 또는 외부 충격, 극한 환경 등으로 인해 여전히 과방전이 발생할 수 있다.

기존 연구에 따르면, 과방전은 구리 집전체(Cu Current Collector)의 용해를 초래하며, 이후 배터리가 충전될 때 음극(anode) 표면에 구리 침전물이 형성되어 내부 단락(Internal Short Circuit, ISC)을 유발할 가능성이 있다. 이러한 내부 단락은 배터리 성능 저하뿐만 아니라 심각한 경우 열 폭주로 이어질 수 있어, 배터리의 안정성을 위협하는 중요한 요인 중 하나로 작용한다.

본 연구에서는 리튬이온 배터리의 과방전이 배터리 성능과 안정성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고, 서로 다른 음극 소재(흑연 vs. 리튬 타이타네이트 옥사이드, LTO)의 반응 차이를 비교하고자 한다. 이를 통해 배터리의 안전성을 높이고, 과방전으로 인한 성능 저하를 방지하기 위한 설계 및 운영 지침을 제공하는 것이 본 연구의 목표이다.

 

 

 

실험 방법 및 분석

 

본 연구에서는 과방전이 배터리 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 흑연(Graphite) 기반 음극을 사용한 배터리(NCR18650B)와 리튬 타이타네이트 옥사이드(LTO) 기반 음극을 사용한 배터리(LTO40120)를 실험 대상으로 선정하였다.

 

 

실험 환경 및 장비

실험은 일정한 환경을 유지하기 위해 기후 챔버(Climatic Chamber)에서 진행되었다. 기후 챔버 내부는 스테인리스 스틸로 제작되었으며, 외부 환경 변화에 영향을 받지 않도록 단열 처리가 되어 있다. 또한 배터리의 과방전 중 발생할 수 있는 가스 배출(venting)이나 폭발 가능성을 고려하여 압력 해제 밸브(Pressure Relief Valve)를 장착하였다.

 

 

 

과방전 실험 동안 다음과 같은 주요 변수들을 측정하였다.

 

• 전압(Voltage): 배터리의 충·방전 상태를 실시간으로 확인.
• 전류(Current): 방전 속도 및 충전 가능 여부 분석.
• 온도(Temperature): 배터리 내부 열 변화 모니터링.
• 압력(Pressure): 배터리 내부 가스 발생 여부 감지.

 

 

실험 절차

과방전 실험은 다음 네 단계로 진행되었다.

 

 

초기 용량 측정 (Preliminary Capacity Test)

• 배터리를 실온에서 3시간 안정화한 후, 초기 상태를 측정하기 위해 3회 완전 충·방전 사이클을 수행.
• 흑연 기반 배터리는 2.5V까지 방전, LTO 기반 배터리는 1.6V까지 방전 후 재충전.
• 이 데이터를 기준으로 과방전 이후 용량 감소율을 분석.

 

과방전 테스트 (Overdischarge Test)

• 배터리를 1/3C 속도로 방전하여 서로 다른 DOD%(110%, 120%, 140% 등)까지 방전.
• 방전 종료 후 배터리의 전압 역전(Polarity Reversal) 여부, 온도 상승 패턴을 분석.

graphite-based anode cells

재충전 가능 여부 테스트 (Rechargeability Test)

• 과방전된 배터리를 정상적으로 재충전할 수 있는지 확인.
• CC-CV(Constant Current - Constant Voltage) 방식으로 충전 진행.
• 재충전 중 발생하는 온도 변화를 측정하여 과방전 이후 열적 안정성을 평가.

 

최종 용량 측정 (Final Capacity Test)

• 과방전된 배터리를 다시 완전 충·방전하여 초기 용량과 비교.
• 충·방전 시 발생하는 온도 변화를 분석하여 과방전 이후 배터리 성능 저하 정도를 평가.

 

배터리 내부 구조 분석

과방전 실험 후, 배터리 내부의 구조적 변화를 확인하기 위해 일부 배터리를 해체하여 **전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)과 에너지 분광 분석기(EDX, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)**로 분석을 진행하였다.

 

배터리를 해체한 후,

• 음극(Anode)과 양극(Cathode)의 미세 구조 변화를 확인하여 손상 여부 분석.
• 구리 침전물 형성 여부를 확인하여 내부 단락 발생 가능성 평가.
• 화학적 조성 변화를 분석하여 전해질 분해 및 부반응 여부 확인.

배터리 남용 시험 후 해체 분

 

 

이러한 분석을 통해 과방전이 배터리 내부 전극 구조 및 화학적 특성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 배터리 성능 저하의 주요 원인을 규명하였다.

 

 

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