논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468614024402
[출처] Cheon-Soo Kim, Kyung Min Jeong, Keon Kim, Cheol-Woo Yi,
Effects of Capacity Ratios between Anode and Cathode on Electrochemical Properties for Lithium Polymer Batteries,Electrochimica Acta,Volume 155,2015,Pages 431-436,ISSN 0013-4686, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.12.005.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Effects of Capacity Ratios between Anode and Cathode on Electrochemical Properties for Lithium Polymer Batteries
NP Ratio별 배터리의 전기화학적 특성에 관해 정리한 논문입니다.
배터리 셀 제조시 NP Ratio는 배터리 자체 성능에 엄청나게 큰 영향을 주는데요, 일반적으로 많이 하는 1.1부터 1.2, 1.3 늘려가며 성능비교를 하는 논문입니다.
일반적으로 동일 성능 기준 NP Ratio가 높아질수록 안전성이나 리튬플레이팅에 대한 강건성이 좋아지는 특징이 있습니다.
Purpose
NP Ratio(이하 NP)별 열화, 플레이팅, 용량 및 내구에 따른 특성 변화와 같은 다양한 성능을 비교분석하는 논문입니다.
일반적으로 NP는 성능에 비례하고, 제조비용에 반비례하기에 둘간의 Trade off를 잘 조절해야 한다는 점에서, 과연 어떤 NP가 최적일까? 를 직접 비교해보는 연구입니다.
Contents
해당 논문에서 인사이트가 있었던 점 중 하나는, 열화에 따라 생각보다 NP별 차이가 별로 없다는 점이였습니다.
저는 본디 생각하기에, NP가 높을수록 리튬 플레이팅 발생량이 적으니 계면저항이나 여러 관점에서 이득을 보고 사이클을 진행할수록 LLI나 여러 Side Effect의 발생빈도 차이에 의해 열화에 대한 성능이 좋게 나올것으로 예측했습니다.
상기 그림의 a,b,c, 순서대로 NP 1.1,1.2,1.3 인데요
보시다시피, 1.3이 오히려 과전압시 더욱 빨리 용량이 죽어버리는것을 확인할 수 있습니다.
실험 결과상으로만 보면 오히려 1.2가 열화 사이클에 대한 용량 성능이 제일 좋은것으로 볼 수도 있습니다.
두번째 그림도 동일하게 a,b,c순으로 1.1,1.2,1.3 인데요
NP에 대해 의외로 용량대비 OCV차이도 크지 않음을 확인할 수 있습니다.
단, 4.25V로 충전한 부분에서는 NP 1.1이 용량이 조금 덜 나오는것을 확인할 수 있는데요, 반대로 NP 1.2에서는 4.3V충전시 NP 1.1때보다 용량이 더나오며, NP 1.3에서는 4.4V로 충전시 다른 NP들 대비 가장 용량이 많이나오는것을 확인할 수 있습니다.
즉, 대체적으로 NP와 용량은 비례하는 관계가 있다고 볼 수 있으나, NP별 과충전이 아닌 특정지점에서 타 NP들대비 용량변화가 뚜렷하다는것을 알 수 있습니다.
세번째는 이 논문에서 가장 중요한 그림 중 하나인데요,
(a)를 보면 기본적으로 NP가 높을수록 OCV가 높다는것을 확인할 수 있습니다. 또한, Before대비 Aging시 Recovery Ratio가 큰차이는 아니지만 소폭 높습니다.
(b)에서는 Cell Thickness인데, NP가 높을수록 셀 두께가 두꺼워짐을 알 수 있으며, Aging시 Before때보다 셀이 더 두꺼워지는데 이는 음극팽창이 주요한 원인인 Swelling으로 추정됩니다.
(c)에서는 다소 이해가 안되는 부분이, NP가 높음에도 Capacity는 낮아지게끔 그래프가 되어있다는 점입니다.
논문에서 집중한 부분은 Recovery Ratio인데, 이건 NP가 높을수록 높습니다. 아무래도 플레이팅이나 리튬이 Anode에 Intercalation되지 못하고 죽어버리는 비율이 낮기때문에 Reversible Li가 발생할 확률이 높다는것을 의미하지 않나 생각됩니다.
Results
NP에 대해 성능을 직접 분석한 논문이여서 큰 인사이트가 있었습니다.
특히, 열화 성능과 관련해서는 NP는 큰 관계가 없으며 오히려 NP 1.2가 1.3보다 Cycle수명이 길다는 결과치를 확인할 수 있었습니다.
고온 열화시 성능은 일부 떨어지지만, 이것은 NP와 관계가 있는것은 아닌것으로 보고 있으며, 열화 이후 OCV와 용량회복도가 줄었지만 IR과 셀두께가 증가한다는 측면은 일반적인 상식이지만 재확인할 수 있었습니다.
해당 논문의 요점은, NP가 꼭 가격상승 때문이 아니라도 성능의 최적화관점에서 높게만 쓰는게 좋은건 아니다 입니다.
참조
[1] Cheon-Soo Kim, Kyung Min Jeong, Keon Kim, Cheol-Woo Yi,
Effects of Capacity Ratios between Anode and Cathode on Electrochemical Properties for Lithium Polymer Batteries,Electrochimica Acta,Volume 155,2015,Pages 431-436,ISSN 0013-4686, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.12.005.
댓글