논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931020332555
[출처] Wenxin Mei, Huang Li, Chunpeng Zhao, Jinhua Sun, Qingsong Wang,Numerical study on thermal characteristics comparison between charge and discharge process for lithium ion battry,International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 162,2020,120319,ISSN 0017-9310,https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120319.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문 요약]
Numerical study on thermal characteristics comparison between charge and discharge process for lithium ion battery
본 논문은 NCM111 26650 원통형 배터리로 충/방전 CC 실험을 반복하며, 발열량을 비교하는 논문입니다.
발열량 측정기, 모델해석, 열화상카메라 같은 방법들을 동원했으며, 물론 케미컬마다 다르지만 꽤나 흥미로운 연구결과를 보여줍니다.
그리고, 안타깝게도 이 논문은 Figure를 무료로 공개하지 않았습니다.
Contents
이 논문의 내용을 짧고 굵게 요약해보겠습니다.
1.5C-rate이하에서는 CC 충전이 CC방전보다 발열량이 높았지만, 1.5C이상에서는 방전때 발열량이 더 높다는 점입니다.
이 논문에 되게 흥미로운 그림이 많은데 올리지 못해 아쉽습니다.
기회되시는분은 꼭한번 보시면 좋을것 같습니다.
일단, 논문의 내용에 따르면 충전시에는 Negative electrode의 발열이 전체 발열량 중 메인이며, 반대로 방전시에는 Positive electrode의 발열이 전체 발열량 중 메인입니다.
1D-Electrochemical Model에 3D Thermal Model을 섞어서 시뮬레이션을 했으며, NCM 111/26650 원통형셀을 모사했습니다.
이 논문에서 Fig.5가 가장 메인인데요,
0.5C/1C/1.5C 충방전 각각에 대한 6개 실험의 전압/전류/온도변화 프로파일을 나타내고 있습니다.
몇가지 인사이트가 있는데, 첫번째로는 CCCV중, CV진입 직전에 발열량이 가장 큰것이 아니라는 점입니다.
발열, 열이라는것도 본디 관성이라는것이 있기때문에 CC충전 후, CV조금 진입한 시점에서 온도가 가장 큰 것을 알 수 있습니다.
두번째로는, 똑같은 C-rate로 충전할때와 방전할때를 비교해보면, 0.5/1C에서는 크게 창이가 없지만, 1.5C에서는 방전시 온도가 1~2K정도 더 높게 올라갑니다.
Fig.6이 두번째로 메인인데요, 배터리 셀이 발열할때 셀 전체가 온도가 균일하진 않습니다. 열화상카메라로 찍으면 배터리셀 내에서도 온도편차를 확인할 수 있는데요, 이때 최대/최소 온도 편차는 항상 충전보다 방전때 크다는점도 특이했습니다. 더불어, 충/방전 편차는 C-rate가 클수록 크다고 생각할 수 있는데 오히려 중간C-rate인 1C에서 전체적인 충/방전 편차가 가장 컸습니다. 여기에 대한 근본적인 이유를 자세하게 다루진 않고 있습니다. 단지 모델 시뮬레이션상 그렇게 나왔다고 정도로만 정리하고 있습니다.
그리고, 저자에 의하면 충전때보다 방전때 비가역 heating이 훨씬 높다고 합니다. 사실 이것도 물리적인 현상에의한 관찰이라기 보단, 시뮬레이션 모델 결과이기에.. 이건 본인들이 모델링을 그렇게 해놓았으면 결과가 그렇게 나오는거라 크게 의미를 두진 않습니다. 마치 딥러닝할때 학습한 데이터로 검증해서 결과가 잘나와서 좋다고 하는것과 비슷한 느낌입니다.
이쪽으로 저도 연구를 하나 하고있는것이 있는데, 상당히 흥미로운점이 많습니다.
ECM이나 간단한 모델링에서는 당연히 반영할 수 없으나, 일반적으로 발열량은 전류의 제곱에 비례하는 성향을 보이기에, 전류의 방향은 중요하지 않다고 여기는 경우가 많은데요. 논문에서도 자세히는 안나타나있고, 방전때 비가역 heating이 높아 열변화가 빠르고, 방전때 양극 Polarization 발열량이 충전때보다 높다.. 이런정도로만 피상적으로 적혀있어 크게 와닿지는 않습니다. 이쪽부분을 깊게 한번 연구로 파보아도 좋을것 같습니다.
Results
조금 특이한 현상에 대해 다루긴 하나, 시뮬레이션으로 대부분 해석한다는 점은 조금 아쉽습니다.
배터리 셀 케미컬마다 이 현상또한 다르게 나타날것이기에 일희일비 할 필요는 없지만, 셀 케미컬에 따라 이런식의 거동을 보이는것도 있구나 정도는 알고계시면 좋을것 같습니다.
엔지니어링적 가치는 없으나, 페이퍼/리서치적으로는 한번은 깊게 파볼만한 주제인것같습니다.
참조
[1] Wenxin Mei, Huang Li, Chunpeng Zhao, Jinhua Sun, Qingsong Wang,Numerical study on thermal characteristics comparison between charge and discharge process for lithium ion battry,International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 162,2020,120319,ISSN 0017-9310,https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120319.
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