논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324003926?dgcid=rss_sd_all
[출처] Davide Cavaliere, Atsunori Ikezawa, Takeyoshi Okajima, Hajime Arai,Diagnosis of Liion battery degradation based on resistive and diffusion-related transient voltage changes at early stage of discharge,Journal of Power Sources,Volume 603,2024,234441,ISSN 0378-7753,https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234441.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문 요약]
Diagnosis of Li-ion battery degradation based on resistive and diffusion-related transient voltage changes at early stage of discharge
본 논문은 방전초기(SOC 100%) 전압거동을 분석하여 용량감소/저항증가된 셀을 분류해내는것을 목표로 합니다.
즉, SOHc/SOHr을 정확한 수치로 추정하는게 아니라, 러프하지만 거동이 이상한 배터리 셀을 찾아내는 연구 논문입니다.
Contents
본 논문의 핵심 내용은 상기 그림에 있습니다.
CPE(Constant Phase Element)와 Warburg, R값들을 추정하고 시상수(Time Constant)를 알아낸다음 이 정보들을 통해 이상거동 배터리 셀을 진단해보겠다는 논문입니다.
본 연구에서의 모델은 TLM(Transmission Line Model)이라고 하는 이중선로(전자와 이온의 Path를 나누어 모델링) 모델을 사용하였고, TLM 모델 내에 R-C elements와 Warburg Constant를 기준으로 진단을 합니다.
(결국에는 TLM을 근사화해서 고차원의 RC Ladder 등가회로모델로
모델에서 LLI/LAM비율을 조절해가며 DVA(Differential Voltage Analysis)와의 비교를 통해 최종 진단 성능을 판단합니다.
100%충전을 한 상태에서 첫 방전을 시작하면, 양극기준으로 전극 Surface쪽 리튬농도가 높고 Core로 갈수록 농도가 낮아지며, 양극 기준 리튬 농도가 낮을수록 전위가 높습니다.
이러한 모델을 전제로 Diffusion Coefficient 기반 전기화학적 수식들을 풀어가는데요, 이것들을 통해 결국 정리되는것은 Warburg Constant = sqrt(resistance/capacitance) = porous electrode length/sqrt(Diffusion Coefficient)*dE/dq 입니다. 즉, Diffusion Coefficient와 Warburg Constant의 상관관계를 추정하여 진단에 적용하겠다는 것입니다.
이렇게 추정한 Warburg Constant가 진단에 유용한 이유로는 상기 그림을 예시로 듭니다.
본 Health Index가 좋은 이유는, 온도와 크게 관계없이 오로지 열화와 관련된 인자이기 때문이라고 합니다.
첫번째그림을 보시면, 온도에 크게 구애받지않고 전체적인 개형이 비슷함을 보실수 있는데,
두번째 Rs(직렬저항)은 온도에 크게 영향을 받는다는것을 확인하실 수 있습니다.
배터리의 Health Index를 규정하기 위해서는 온도/C-rate/열화에 따른 영향성을 보는게 중요한데 이중 온도에 Robust한 인자를 찾아냈다는것은 +입니다.
다만, 본 Warburg를 연산함에있어서 TLM 모델의 R-C elements들이 얼마나 정밀하게 추정되는가가 중요한 상황입니다. (이것은 모든 R-C 모델링들이 가지고 있는 동일한 한계)
이런식의 Approach는 제가 담당하고있는 몇 프로젝트들에서도 하고있는데요. 흥미롭긴하나, TLM 모델이 RC-ECM대비 복잡도가 높은점은 염두에 두어야할것 같습니다.
Results
본 논문의 저자중 한명이 아는사람이라 읽어보게된 논문입니다.
올해나온 아주 신선한 논문인데, 꽤나 재미있었고 TLM모델에서의 Warburg Constant가 온도에 Robust한 특성을 가진다는것도 인사이트 있었습니다. (실제로 그런진 모르겠지만)
참조
[1] Davide Cavaliere, Atsunori Ikezawa, Takeyoshi Okajima, Hajime Arai,Diagnosis of Liion battery degradation based on resistive and diffusion-related transient voltage changes at early stage of discharge,Journal of Power Sources,Volume 603,2024,234441,ISSN 0378-7753,https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234441.
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