[2018 UGRP 우수연구]'리튬 이차전지 사용 환경에 따른 열화 거동 분석 및 진단 기술 도출'

2018 UGRP 장영실 코스 '리튬 이차전지 사용 환경에 따른 열화 거동 분석 및 진단 기술 도출'

연구팀, 리튬 이차전지 수명분석 고찰

2018 UGRP 학술 기사 시리즈의 두 번째 주제는 ‘리튬 이차전지 사용 환경에 따른 열화 거동 분석 및 진단 기술 도출’이다. 이 주제는 2018 UGRP 우수 주제상을 수상했으며, 장영실 코스 주제이다. 에너지 시스템 공학 전공 이용민 교수의 지도 아래 김나연(’16), 김은새(’16), 양승원(’15), 임민홍(’16)으로 UGRP팀(이하 리튬 전지팀)이 구성되었다. 리튬 전지팀은 다양한 조건에서 사용되어 온도를 비롯한 운영 조건에 따른 수명 예측이 중요한 리튬 이차 전지를 대상으로 연구를 진행하였다.

 

 현대 사회에서 리튬 이차 전지의 사용 범위는 굉장히 넓다. 휴대폰과 노트북 같은 소형 전자기기부터 전기 자동차나 ESS(Energy Storage System)와 같은 중대형 기기까지 다양한 곳에서 리튬 이차 전지를 사용하고 있다. 특히 중대형 기기의 경우, 리튬 이차 전지의 수도 수천~수만 개로 많고, 사용 기간도 길기 때문에 수명을 예측하는 것은 안정성과 유지 보수 측면에서 매우 중요하다. 이를 위해 리튬 전지팀은 다양한 운영 조건에서 전지의 용량 저하율을 확인하고, 이에 대한 원인 규명을 목적으로 연구를 진행하였다.

 

 연구를 살펴보기 전 본 연구에서 사용된 용어 및 배경지식을 살펴보자

C-rate(율속)는 전지가 완전히 충·방전되는데 걸리는 시간을 의미한다. 예를 들어 1C가 60분 동안 충전하는 것이라면 2C는 2배 더 빠른 속도로 30분간 전지를 충전하는 것이다.

DOD(Depth Of Discharge)는 방전 깊이나 방전 심도를 나타내는 용어로, 전지를 몇 퍼센트 방전할지를 나타낸다. 예를 들어 DOD 100이라면 배터리 용량 중 100% 완전 방전을, DOD 20이라면 20%만 방전하는 것이다.

 

 리튬 전지 팀은 선행 연구를 통해 전지의 용량 저하가 온도, DOD, C-rate 조건에 의해 달라진다는 것을 알아냈다. 그 후 온도는 공조 시스템에 의해 일정하게 유지된다는 가정을 하고 연구를 진행하였다. 리튬 전지팀은 DOD 값과 C-rate 값을 다르게 총 18가지의 전지 운영 조건을 설정하였다. 그 조건은 다음과 같다. ▲ C-rate 0.5C/0.5C(충전/방전), DOD : 10~100 ▲ DOD 100, C-rate : 0.5·1C·2C/ 0.5·1C·2C 총 18가지의 실험 조건을 설정하여, 충방전기에 넣고 1000 cycle 동안 충·방전을 진행하여 용량 유지율 및 양극과 음극의 표면과 단면 이미지를 분석하였다. 또한 SAICAS를 이용하여 집전체와 전극 사이의 접착력을 측정하였다.

DOD와 C-rate에 따른 전지 운영 조건

리튬 전지팀은 실험을 통해 DOD가 높아질수록 용량이 감소하였으며, 특히 DOD가 90%일 때와 100%일 때 낮은 용량을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 C-rate 역시 증가함에 따라 용량 감소가 높았으며, 2C/2C 충·방전 조건에서 급격한 용량 감소가 발생한 것을 확인하였다.

 

또한 리튬 전지팀은 DOD 50%와 100% 조건으로 대표 실험군을 분석하여 운영한 전지와 초기 전지의 양극과 음극을 전지에서 분리하여 표면과 단면 이미지를 분석하였다. 그 결과 양극과 음극에 균열이 발생한 것을 확인하였으며, 이에 대한 원인 규명에 대해서는 추가적인 UGRP 프로그램을 통해 알아야 할 과제라고 설명하였다.

 

이외에도 연구팀은 음극에서의 부산물 형성, 양극 내 활물질 입자 균열의 심화 등을 SEM 이미지 분석을 통해 알아내어, 이를 기반으로 서로 다른 입자 크기를 갖는 양극 활물질 실험을 통해 활물질이 큰 경우에 율속을 비롯한 수명 등 모든 특성에서 우수한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 리튬 전지 팀은 높은 전극 밀도에서는 활물질 입자 크기에 따라 전기 전도도의 차이가 줄어든 문제에 대해서는 추가적인 고찰이 필요할 것이라고 밝혔다.

각각 ▲ 양극의 균열(왼쪽), ▲ 음극의 균열(오른쪽) SEM 이미지 <제공=UGRP 팀>

리튬 전지팀에게 자신들이 생각하는 최적의 리튬 이차 전지 사용 환경에 관해 물었다.

리튬 전지 팀은 휴대폰 배터리를 예로 들어, 배터리의 양이 0%가 될 때까지 사용하지 않고, 고속 충전기의 사용을 자제하는 것이 가장 최적의 배터리 사용환경이라고 말했다.

 

리튬 전지 팀은 “원래 목표는 열화 환경에 따른 배터리 수명분석 모델이었으나 어떠한 환경에서 열화가 어느 정도 일어나는지 만을 발견하고 수명 분석 모델을 만들지 못했다”라며, “기존의 연구를 통해 발견한 각 열화 환경에 따른 수명 데이터를 기반으로 수명 분석 모델을 만드는 연구를 할 예정이라고 앞으로의 목표를 밝혔다.

 

 앞으로 UGRP를 진행할 학부생들에게 전하고 싶은 말을 묻자 “자신이 주체가 되어 연구를 진행한다는 것이 처음에는 무섭게 느껴질 수 있다. 하지만 내 앞에 작은 부분을 최선을 다해 완성해 나가다 보면 어느새 좋은 결과를 뽑아낼 것이다”라며 특히 “조원들과는 많은 소통을 하는 것이 실험에 큰 도움이 될 것”이라고 답했다.

 

이동현 기자 lee0705119@dgist.ac.kr