논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775323004196
[출처] Zheng He, Hang Li, Weijie Ji, Wei Li, Yuechao Zhang, Xue Li, Peng Zhang, Jinbao Zhao, Investigation on Li plating prevention optimal charging protocol of nickel-rich/graphite-SiOx lithium ion battery, Journal of Power Sources, Volume 571, 2023, 233044, ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233044.
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[논문 요약]
Investigation on Li-plating prevention optimal charging protocol of nicek-rich/graphite-SiOx lithium ion battery
배터리의 충전 프로토콜을 설계하는 논문으로, 특히 Hi-Nickel 계열 및 Si가 포함된 Graphite Anode를 대상으로 진행한 논문입니다.
중국에서 나온 논문이고 JEVE 라는 중국 배터리 기업에서 함께 작성한 논문임으로 보아, 중국에서도 역시 LFP 외에도 Hi-Nickel 및 삼원계에 대해 활발하게 연구를 진행하고 있음을 다시한번 확인할 수 있었습니다.
Contents
본 연구도 Introduction부터 각종 논문들을 Ref로 남기며 긴 설명들을 이어가지만, 결국 핵심은 Anode Potential을 기반으로 제어하는것이 Li-plating을 포함한 배터리의 장기적 사용에 유리하다 라는 논지입니다.
이러한 류의 논문들을 많이 다루었기에 느끼시겠지만, 대부분(거의 전부)은 Anode Potential, OCV, 온도, Terminal Voltage 제어가 목표이며, 사실상 전기화학모델로 이러한 시뮬레이션을 하는 이유는 Anode Potential 때문입니다.
나머지는 ECM으로도 충분히 잘맞출수 있기 때문입니다.
이러한 부분에서, 혁신이 일어날 수 있지않을까라는 기대도 하고 있습니다.
아쉽게도 3Ah짜리 소용량 파우치셀을 사용했는데요, 그래도 NCM811이라는 High Nickel계에 Si를 포함한 Anode를 보면 소재자체로는 거의 SOTA에 가까운 삼원계 최고수준 에너지 밀도 셀로 평가를 했습니다.
특히, 기존의 off-line으로 충전프로토콜을 뽑아내던 논문들 같이 PID 제어로 LUT를 형성하는 형태의 충전 프로토콜 도출 연구입니다.
논문은 정성적으로 다양한 조건에서 연구를 수행합니다.
Porosity, SEI 두께, C-rate, 온도, ... 다양한 방식으로 진행하며, 본 연구에서는 아쉽게도 Multi-Stage 충전프로토콜에서 STEP 수를 3개로 제한했다고합니다.
상기와 같은 Flow를 통해 PID제어로 충전 프로토콜을 뽑아내는데, 결과가 제가 좋아하는 방식입니다.
저는 이런 충전프로토콜 연구에서, 설계상의 용이성? 때문인지 MSCC 방식으로 프로토콜 설계를 하는데요,
본 연구는 일단 자유도를 주고 충전프로토콜을 Continuous하게 만든 이후, 이것을 토대로 MSCC로 변경한다고합니다.
상기 이미지를 보시면 충전 전류가 Continuous한데요, 이렇게 제어를 하는 방안도 유의미함만 확인된다면 충분히 industry 적용해볼법 하지 않나 생각됩니다.
해당 논문의 결과는 상기와 같습니다.
결과적으로 여러 최적화된 MSCC Charging Protocol을 뽑아내고, 그것을 통해 CCCV와 비교하여 실제 실험을 하고 Anode쪽을 찍어본 결과 Li-Plating 부분에서 이득이 있었고, 충전시간도 유의미하게 감소했다라는 것입니다.
Results
재미있는 논문이며, 특히 이런류의 논문들은 실측실험 없이 모델로만 시뮬레이션 검증하여, 열화가 덜됬다 SEI가 덜늘어났다, Li-Plating이 덜생겼다라고하며 끝내는 경우가 많은데요,
본 논문은 직접 셀로 테스트하고 그 셀을 까서 SEM으로 촬영한것을 보여주는 대담함을 보입니다.
역시, 규모와 연구자원이 풍부한 곳이라 그런가 다른것 같기도합니다.
참조
[1] Zheng He, Hang Li, Weijie Ji, Wei Li, Yuechao Zhang, Xue Li, Peng Zhang, Jinbao Zhao, Investigation on Li plating prevention optimal charging protocol of nickel-rich/graphite-SiOx lithium ion battery, Journal of Power Sources, Volume 571, 2023, 233044, ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233044.
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