논문 전문 : https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2301/1/012014
[출처] Yunrui Yue et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2301 012014
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Effects of temperature on the ohmic resistance and energy loss of Lithium-ion batteries under milisecond pulse discharge
이 논문은 작년에 나온 따끈따끈한 연구자료입니다.
뭔가 기술개발이나 이런 류의 논문은 아니지만, 여러 상황에 대해 어찌보면, 극단적일수도 있는 조건들에 대해 모두 실측했다는 점에서 유의미한듯합니다.
Purpose
3가지 종류의 Cathode 배터리 셀(LFP, LTO, NCR)에 대해 온도별, C-rate별로 저온부터 고온까지 직접 Pulse를 때려 저항을 측정해보는 논문입니다.
이렇게 봤을때는 "뭐야? 특별한거 없는데?" 라고 생각할 수 있지만, 이 논문은 말도 안되는 장비로 직접 측정을 합니다.
무려, -60'C~50'C까지 10'C단위로 모두 실측하고, C-rate는 5C/10C/20C/Short-Circuit에 해당하는 전류를 직접 인가할 뿐 아니라, 완벽한 ohmic resistance를 뽑기위해 1ms단위 정밀도를 가진 장비를 사용합니다.
중국 국방연구소쪽과도 관계된 논문인것 같던데 자금력이 만들어낸 논문이 아닌가 생각이됩니다.
Contents
놀랍게도 이 논문은 -60'C ~ 50'C까지 10'C단위로 C-rate별로 모두 저항실험을 진행합니다.
하기와 같이 NCR/LFP/LTO Cathode 셀들을 대상으로 실험을 진행하는데, 일반적인 환경에선 사용하지 않는 온도대역에서 인사이트를 발견할 수 있었습니다.
첫번째로, LFP는 -60'C여도 Ohmic resistance자체는 크게 높아지지 않는다는 점입니다.
필자는 전류 인가 후 1ms동안의 전압변화량을 통해 저항을 추정하는데요, 일반 실험실에서 쓰는 장비들은 10ms~100ms 심지어는 1초 단위도 있기때문에 전기화학 반응이 일어나기에는 다소 긴 시간입니다.
즉, 필자의 의도는 1초간의 전압변화량을 통해 저항을 추정한들, 그건 이미 ohmic resistance가 아닌 polarization resistance가 포함된 값이다. 순수하게 ohmic resistance만 구현하면 이는 SOC와도 독립적인 관계를 보인다고 합니다.
두번째로는, NCR 셀은 -50'C정도부터 급격하게 저항이 증가하여 -60'C에서는 1옴에까지 도달하게 됩니다. 이것은 일반적인 상온에서 대비 약 50배 이상에 달하는 저항 증가인데요, 이는 발열량도 엄청나게 높아질 수 있음을 시사합니다.
세번째로는, LTO/LFP/NCR ... 양극재의 종류에 상관없이 순수한 ohmic resistance자체는 상온 기준, 저항차이가 거의 없고 동일하다고 합니다.
다른 논문들에서 2RC-ECM을 추정할때 직렬저항 텀이 보통 instantaneous voltage에 의한 ohmic resistance인데요, SOC와 양극재 소재별로 다른 모습을 보여주는 연구가 많았지만, 대부분 100ms 단위 수준에서 저항 추정을 진행했기에 발생했던 차이가 아닌가 싶습니다. 이렇게 극단적으로 1ms까지 컨트롤을 할 수 있으면 차이가 없을수도 있겠다라는 생각이 드네요
위 그림은 각 온도별 실험에 대한 Energy Loss(발열량)을 나타낸 자료입니다.
Figure설명에서 보시다 시피 5C, 10C, 20C, Short Circuit Condition까지 직접 실측한것을 보면, 셀이 터지면 새로사면 되고 뭔가 이런 마인드로 극한의 상황까지 실험할 수 있는 자금력을 보여줍니다.
이건 별다른 인사이트가 없이 결국에는 발열량이라는 것은, 저항에 비례하기때문에 전체적인 개형이 이정도로 나온다라고만 봐주시면 될것 같습니다.
Results
1ms단위까지 전기화학 특성분석 장비를 사용하면, ohmic resistance가 SOC, 심지어 Cathode 소재까지도 크게 영향을 받지 않는다는것을 실험적으로 보여준 것은 큰 인사이트였습니다. 저도 요즘 배터리를 연구할때 전류인가시간 혹은 센싱 시간의 중요성에 관해 연구를 하고 논문을 쓰고있는데요. 전기화학적 거동을 모두 모니터링(혹은 간접추정이라도)할 수 있을 정도의 센싱데이터를 확보하는것은 아주 어려울 뿐 아니라, 가능하더라도 금액적인 부분에서 양산 아이템에 적용할 수는 없기때문에 어떻게해야 이 난제를 Breakthru 할 수 있을까... 고민을 많이하고있습니다.
참조
[1] Yunrui Yue et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2301 012014
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