논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495624002432?dgcid=rss_sd_all
[출처] Xiaodong Zhang, Jiao Lin, Ersha Fan, Qingrong Huang, Su Ma, Renjie Chen, Feng Wu, Li Li, Insight into the capacity degradation and structural evolution of single-crystal Ni-rich cathodes, Journal of Energy Chemistry, Volume 95, 2024, Pages 68-76, ISSN 2095-4956, https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.03.039.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문 요약]
Insight into the capacity degradation and structural evolution of single-crystal Ni-rich cathodes
dQ/dV 및 2-order dQ/dV를 활용하여 High Nickel 단결정 구조의 degradation 특성을 알아보는 논문입니다.
올해 나온 따끈따끈한 논문으로, 저는 참 맛있게 잘만들어진 논문이다라고 생각했습니다.
논문을 읽지만, 저도 쓰는 입장으로써 주제와는 논외로 논문의 Figure부터 전체적인 구성이 이렇게 맛있게 잘만들기가 참 힘든데 라는 생각이 드는 논문이였습니다.
(Figure가 참 괜찮은데 따끈한 논문이라 그런지 비공개네요)
Contents
논문의 내용 자체는 심플합니다. 기존의 다결정 Structure를 쓰던 배터리 대비, 단결정 양극재를 사용하는 High-Nickel 배터리의 전기화학적 특성을 알아보고자하는데, ICA(Incremental Capacity Analysis)를 위주로 알아보자는것입니다.
여기서 이계도 ICA와 단결정 Structrue Degaradation의 연관성을 파악해보고 어떤식으로 Disorder를 추정할지 제시하는 논문입니다. 다만, 단결정 논문이기에 현재 필드에서 양산되는 배터리들과는 다소 거리가 있을 수 있습니다.
일단, Single Crystal을 사용하는 이유는 Crystal내에서 이온의 이동이 엄청나게 자유로워 지기때문입니다. 격자가 없어지기때문에 에너지밀도도 향상되고, 열분포가 균일해져 열적 안정성도 향상되고 이렇기때문에 종합적으로는 저항이 낮아지게되는 엄청나게 이점이 있습니다. 공장 수율 문제나, Mechnical한 압력이 주어졌을때의 안정성, 대량생산의 어려움등이 있지만 미래에 사용될만한 아이템임에는 이견이 없습니다.
Single Crystal은 전극구조 자체가 다결정 Polygrain이 아닌 단결정-1개 형태이기때문에, 이때 Crystal이 깨지냐안깨지냐는 다결정일때보다 더욱 중요한 요소가 됩니다. 예를들면 LFP 양극재 기준 2Phase 특성을 지니고있어 LiFePO4야 FePO4가 공존하는 형태인데 이것이 단결정에 적용되면(단결정은 소재별로 만들수없는게 있는데 만들수있다고 가정) 2개 Phase의 Lattice Parameter가 달라져서 Degradation이 상대적으로 심하게 발생할 수 있습니다.
Figure가 공개되지 않아, 본 글에 싣지는 못했지만 Figure.1을 보면 Upper Cut-off voltage를 높여가며 일부로 비가역적인 상변이를 시키고 그에따른 dQ/dV 특성을 분석합니다.
C-rate별로도 실험을 하는데요, 본 사이클 테스트를 통해 논문에서 내린 결론은 High-nickel Single Crystal전위의 경우 4.7V까지도 충분히 사용할수 있을것 같다는점과, 2계도 ICA의 Zero point가 Shifting되는 정도를 통해 Single Crystal Structral Degradation을 파악할 수 있다는 점입니다.
Figure.5에 이 과정이 잘 나타나있는데요
일반 다결정 전극에서 용량열화는 계면부 반응이 Main이라면, 단결정에서는 Bulk상내 비가역 상전이가 Main이라고 합니다.(물론 계면부반응도 많이일어남.) 여기서 벌크상태 비가역 상전이를 dq/dv로 판단하는 방법이 H2-H3 Phase인데요, 이부근에서의 ICA거동분석을 통해 진단한다고합니다.
Results
여담으로, 본 논문은 베이징대학교에서 나왔는데요. 최근 중국이 LFP의 최강자이니 뭐니해도, CATL에서는 여전히 삼원계배터리의 비율이 높습니다. 더욱이 배터리 연구자가 중국인이 많은데 LFP는 Chemical Structure 구조상 추가적인 발전이 어려운 형태입니다. 그래서 Only LFP를 선택한 BYD는 망간을 섞고 이것저것 해보고있죠. 하지만 삼원계는 High-nickel, Cobalt less같이 개발 방향성이 확실하게 정해져있는 상태입니다. 즉, 현재 단가를 생각했을때는 LFP를 쓰지만 탄산리튬의 가격이나 EU법규에 따른 Re-use 가능성과 같은 여러관점을 고려했을때는 중국도 삼원계를 메인으로 가져갈것으로 예상됩니다. 본 논문에서 사용하는 Single Crystal High-Nikcel 배터리 역시 중국의 Tier-1 대학교에서 나온것이라는걸 감안할때 LFP못지않게 삼원계쪽에서도 확실히 치고 나가고있다는 생각이 듭니다. 저희같은 엔지니어들이 더욱 분발해야할것같습니다.
참조
[1] Xiaodong Zhang, Jiao Lin, Ersha Fan, Qingrong Huang, Su Ma, Renjie Chen, Feng Wu, Li Li, Insight into the capacity degradation and structural evolution of single-crystal Ni-rich cathodes, Journal of Energy Chemistry, Volume 95, 2024, Pages 68-76, ISSN 2095-4956, https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.03.039.
댓글