[Batteries-2022] An Experimentally Parameterized Equivalent Circuit Model of a Solid-State Lithium-Sulfur Battery

논문 전문 : https://www.mdpi.com/2313-0105/8/12/269

[출처] Cleary, T.; Nozarijouybari, Z.; Wang, D.; Wang, D.; Rahn, C.; Fathy, H.K. An Experimentally Parameterized Equivalent Circuit Model of a Solid-State Lithium-Sulfur Battery. Batteries 2022, 8, 269. https://doi.org/10.3390/batteries8120269

※ The picture and content of this article are from the original paper.

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[논문 요약]
An Experimentally Parameterized Equivalent Circuit Model of a Solid-State Lithium-Sulfur Battery

 

리튬황 배터리의 전기적 등가회로 모델을 만드는 논문입니다.

고체전해질이며, 일반적으로 많이 사용하는 Thevenin 등가회로 모델을 적용합니다.

Purpose

2RC Thevenin 등가회로 모델에 RLS 알고리즘을 통한 파라미터추정을 한 논문입니다.

보편적인 LIB의 등가회로 모델링 과정과 어떠한 차이점도 없습니다. 다만, 이것이 리튬폴리설파이드가 존재하는 Li-S, 전고체전해질의 셀에도 적용된다는 것을 보여주는 논문입니다.

 

Contents

HPPC를 통한 ECM(Equivalent Circuit Model) 파라미터 추정을 합니다.

워낙 이런 류의 논문은 많이 리뷰했기에.. 손이 아프지만, 다시한번 짧게 정리하자면

HPPC 실험을 통한 SOC, C-rate, 온도별 전기적 등가회로모델의 파라미터값을 뽑습니다.

보통은 RLS 알고리즘이니 Genetic Algorithm이니 막 멋있는거 갖다붙이지만, Curve Fitting이라 보시면 됩니다.

(아마 이다음 정리할 논문이, 파라미터를 추정하는 방법에 대해 Curve Fitting말고 어떤게있는지에 관한 논문입니다.)

 

Li-S도 LiB와 동일하게 저온/저SOC에서는 파라미터를 뽑기도 어려울뿐더러, ECM의 성능이 많이 떨어진다고 합니다.

 

모델이 HPPC데이터를 추종하는 모습입니다.

당연히 HPPC 데이터로 Curve Fitting하는 파라미터를 뽑았으니 HPPC는 잘따라가는게 맞습니다.

단지, 이렇게 뽑은 파라미터가 Universal하진 않습니다. 충방전이 조금만 혼합된 패턴만 적용해보아도 다 틀어집니다.

저의 연구 메소드는 보통은 전기화학적으로 해석해서 한개한개 파라미터를 뽑아내지만.. 바쁠때는 HPPC Curve Fitting으로 뽑은 파라미터들은 Initial 값으로 두고 이후, 변경 범위를 한정하여 충방전 복합패턴으로 다시 Fitting을 돌리기도합니다.

 

분극을 고려하여 커패시턴스는 고정해두는 편인데요, 더길게 얘기하면 모델링에 대해 너무 얘기가 길어질거같아서 나중에 이걸 집중적으로 파는 논문이 있을때 더 적어보겠습니다.

 

또한 저자는 R0(Ohmic Resistance)는 SOC에 대해서 구분은 하지않고, C-rate에 대해서만 파라미터를 추가했다고합니다. 그 결과가 상기와 같은데요, 물론 여기서 뽑아낸 저항값이 정말 물리적 저항값이라는 보장은 없습니다. 단지 전압값을 잘따라가기 위한 Optimizing 과정의 산물일 뿐이니까요. 딥러닝과 같습니다.

하지만 이렇게 나온 결과로만 해석해보자면, 높은 C-rate에서보다 낮은 C-rate에서 다소 저항이 높게 나왔다고 합니다. 아마 이런 High C-rate상황에서는 R1, R2값이 대신 크게나오지 않았을까 예상됩니다.

-1 C-rate가 뭔지는 읽다가도 의문이였는데요.. 별다른 깊은 설명은 없습니다. 아마 충/방전 방향을 반대로 두고 한게 아닐까 생각됩니다.

 

Results

크게 이렇다 할 강점이 있는 논문은 아니였습니다.

기존 LIB에서 많이 사용하던 모델이 Li-S,ASSB 셀에도 적용이 되는지 한번 테스트해보는 정도인것 같습니다.

이 전 논문리뷰에도 정리했지만, Thevenin Model 자체가 전극과 전해질에 국한되지 않고 일반적으로 Time Constant형태의 전기화학적 변화 커브를 보여주는 왠만한 Product들에 대해 통용되는 모델이기에 가능한 일입니다.

 

참조

[1] Cleary, T.; Nozarijouybari, Z.; Wang, D.; Wang, D.; Rahn, C.; Fathy, H.K. An Experimentally Parameterized Equivalent Circuit Model of a Solid-State Lithium-Sulfur Battery. Batteries 2022, 8, 269. https://doi.org/10.3390/batteries8120269