Analysis on pulse charging–discharging strategies for improving
capacity retention rates of lithium-ion batteries 논문에서 발췌하여 정리
리튬이온배터리(LIB)의 충방전시 발생하는 SEI(Solid electolyte interphase)가 용량손실(Capacity fade)의 주요원인중 하나이다.
SEI는 적당히 있으면 좋지만 지나치면 저항이 되어 안좋은 영향을 준다.
SEI는 충방전시 리튬이온이 캐소드에서 에노드로 이동하면서 전해질 내의 첨가제제와 화학적 부반응을 하게되어
음극 근처에 생성되는 얇은 고체막을 말한다.
blog.naver.com/limitsinx/222156961062
SEI(Solid Electrolyte Interphase)에 대한 간단한 이해
[필요 사전 지식]리튬배터리의 충/방전 원리 : https://limitsinx.tistory.com/11 SEI 층(SEI layer)...
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더 자세한 내용은 위의 블로그를 참고하시면 도움이 될 것 같다.
이런 SEI의 성장률은 전극/전기로 인한 접점에서의 리튬이온의 용해/해독 속도와 측면 반응의 현재 밀도에 의해 크게 좌우되는데 리튬이온배터리에서 충방전 전략이 중요한 이유이다.
충방전 전략에 따라서 리튬이온배터리의 용량 손실과 라이프 사이클 수명에 영향을 주기 때문이다.
충방전 전략
정전압-정전류 충전전략(CC-CV)
일정한 전류에서 특정 전압으로 배터리를 충전한 다음 전류가 특정 값보다 작을 때까지 일정한 전압으로 배터리를 충전하는 것을 의미한다.
이 전략은 짧은 충전시간과 높은 배터리 용량 활용률의 장점을 가지고 있다.
이와 대조적으로
펄스 전류 정접압 충전전략(PC-CV)의 충전 전략은 LIB를 위한 또 다른 급속 충전 프로토콜로, 배터리 충전에 펄스 전류 또는 펄스 전압을 사용한다.
이 전략의 특징은 충전 프로세스에 이완 프로세스가 존재한다는 것인데, 이는 충전 프로세스 중 양극화 현상을 완화하고 배터리의 주기 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.
하지만 이 내용이 명확하게 밝혀진 것이 아니고 다양하게 해석이 되기 때문에 좀 더 명확하게 밝혀질 필요가 있다.
이 외에도 CC(정전류), CC-CVNP(Constant current-constant voltage with negative pulse) 및 MCC-CV(multi-stage constant current-constant voltage)전략이 있다.
결론을 얘기하면 이중 CC-CVNP 충전 전략이 더 나은 사이클 성능을 보여준다고 한다.
낮은 주파수의 펄스가 CC-CVNP 모드에서 리튬 이온의 확산 저항을 감소시키기 쉽기 때문에 전압 진폭이 낮고 펄스 수가 적은 충전전략은 배터리의 용량 페이드 감소에 긍정적인 영향을 미친다.
펄스 진폭이 배터리의 용량 손실에 큰 영향을 준다.
용해 구조에서 리튬 이온의 조정 수는 펄스 전기장 아래에서 일정한 필드 강도와 듀티 사이클로 변화한다.
즉, 펄스 전기장은 리튬 이온의 이동을 촉진하여 리튬 이온의 균일한 분포와 농도 구배 감소에 유리하다.
펄스의 진폭은 배터리 온도에 의해서 결정이 되어야 한다고 한다.
그 이유는 배터리의 온도가 높으면 소전류로 충전이 되지만 배터리 온도가 낮으면 높은 전류로 충전이되기 때문에
CC-CV와 비교하여 충전시간이 단축되고 배터리 용량 페이드도 줄여주는 효과를 얻을 수 있다고 한다.
유의할 점은 위에서 언급한 관점에 모순된 결과도 존재한다는 것이다.
펄스 충전 전략에 의한 배터리 성능 향상이 조건부라는 지적이 있다.
펄스 전류에 적합하지 않은 배터리를 충전 또는 방전하기 위해 펄스 충전 모드를 적용하면 배터리가 손상될 수 있다는 것이다.
배터리의 충전 상태(SOC)가 높을 때 펄스 충전 전략이 빠른 온도 상승을 이끌 수 있으며, 그러면 배터리 용량이 급격히 감소할 수 있다.
한편으로는 CC 방전 1초 CC 충전 15초를 한 경우에 급속하게 용량이 감소됨을 보여주기도 한다.
위의 연구들을 종합해보면 SEI의 형성과 성장과 리튬 이온 이동의 특성이 풀스 충전-방전 과정 중 LIB 의 용량 페이드 특성에 영향을 미치는 주요 요인임을 보여준다.
결국 충전 방전 전략의 경우, 특히 펄스 충전 전략의 경우 일부 특징적 매개변수(펄스, 충전속도, 온도, 측면반응속도)가
SEI의 성장과 용량 손실 성장에 미치는 영향이 정량적으로 규명되어야 한다.