논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484721001463
[출처] Ben Rowden, Nuria Garcia-Araez,Estimating lithium-ion battery behavior from half-cell data,Energy Reports,Volume 7, Supplement 2,2021,Pages 97-103,ISSN 2352-4847,https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.02.048.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Estimating lithium-ion battery behavior from half-cell data
Half cell의 용량만으로 Full Cell의 용량을 정확하게 예측하기 위한 논문입니다.
셀 설계 관점에서 꽤나 도움이 될만한 방식인데요, NP ratio와 Electrode capacity만 정확하게 알면 된다는 점에서 간단하면서도 꽤나 파워풀한 방식입니다. (논문 결과에 따르면)
Purpose
LFP Cathode와 Graphite Anode에 대해 연구한 논문입니다.
각각의 Half Cell에 대한 Capacity를 토대로, Full Cell의 Capacity를 예측하는 논문인데
첫 화성공정 당시 발생하는 SEI나 기타 Side effect에 대한 LLI를 반영한다는점에서 흥미로웠습니다.
Contents
해당 논문의 연구에 대해 정리하기에 앞서, LFP의 OCV Plateau가 왜 발생하는지 위의 그림으로 알수가 있습니다.
본디 Full Cell의 전위는 Positive Electrode와 Negative Electrode의 Potential 차이에 의해서 발생하는데요
삼원계 전극의 전위에 비해 LFP의 OCV는 대부분의 영역에서 평평한것을 확인할 수 있습니다.
Graphite또한 마찬가지이구요.
삼원계는 양극 half cell의 전위만 봐도 경사가 꽤나 급격하기때문에 평평한 Graphite의 전위와 차이를 구해도 OCV커브가 증가하는 형태를 띄는데요, LFP는 보시다시피 두 전극 Potential의차이가 평평하기에 Full Cell도 OCV plateau가 생기게 됩니다.
LFP는 삼원계처럼 High Nickel이나 이런 어떤 특정 소재만 더 넣는다거나 이런식의 발전이 사실상 불가능한 소재이기에 LFP를 쓰는한 이런 문제는 바뀌지 않을것이라 보면 됩니다.
다시 논문으로 돌아오면
이 논문에서 말하는 요지는 이렇습니다.
Half Cell에서 Graphite의 첫사이클 용량이 423, LFP의 용량이 157입니다. (측정값)
Full Cell의 용량에 대해 계산된 값은 341이고, 실측값은 330입니다.
그럼, 423/157로 어떻게 341이라는 Full Cell용량을 예측하는지 보겠습니다.
일반적인 셀은 NP-Ratio를 1.1정도로 두는데, 이말은 Graphite를 LFP보다 10%정도 용량을 더 둔다는 말입니다.
그 이유는, 간단하게 받는쪽의 크기가 조금 더 커야 안정적이기 때문입니다. 주는만큼만 딱 받을수있게 만든다면, 어떤 부반응에 의해 받는쪽에 조금이라도 영향이 생기는 경우 용량이 줄어들게 되겠죠
- 1 Cycle Charge
Half cell에서 C-rates 연산을 위한 specific capacity는 LFP 155mah, Graphite 370mah입니다.
여기서 Graphite를 1.1배 더 넣어주었다는것을 감안하여, 어떤 상수 하나를 만들어냅니다.
상수 = Graphite specific Capcity / (LFP specific Capacity * 1.1) = 2.17
그리고 이 상수를 첫 사이클을 돌려 나온 실측값인 Half cell LFP Capacity 157에 곱해줍니다.
157 * 2.17 = 340.69
즉, Half cell LFP Capacity 를 통해 추정한 Full Cell의 용량은 340.69가 됩니다.
그리고, Full Cell의 첫 사이클 용량은 330으로, 근사한 값이 나오게 됩니다.
- 1 Cycle Discharge
Half Cell 첫 사이클 충전 기준, Graphite의 용량은 423이며, 방전 기준 368입니다.
즉, 55만큼이 부반응에 의해 소실 되었습니다.
Half cell을 기준으로 예측한 Full Cell의 첫 충전 용량인 341에서 이 55를 빼주게 되면, 286mah가 나오게 되는데요, Full Cell 첫 사이클 방전용량은 288로 거의 동일한 값이 나오게 됩니다.
이런식으로, 반복하여 결국 Half Cell의 사이클 용량을 통해 Full Cell의 용량을 예측하는 방식을 소개하는 논문입니다.
Results
Half Cell과 Full Cell은 확실히 차이가 있습니다.
물론 전체적인 Correlation이야 가지겠지만, 확실히 Half Cell에서 발생하지 않았던 부분이 완전한 Full Cell이 되면서 발생하는 현상도 많구요
이런 부분들을 메커니즘 하나하나 따라가긴 쉽지 않지만, 러프하게 Half Cell의 Capacity만으로 Full Cell의 Capacity를 따라가는 논문입니다.
참조
[1] Ben Rowden, Nuria Garcia-Araez,Estimating lithium-ion battery behavior from half-cell data,Energy Reports,Volume 7, Supplement 2,2021,Pages 97-103,ISSN 2352-4847,https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.02.048.
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