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저온에 강인한 리튬 이온 전지의 최적설계에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on the Optimal Design of Lithium Ion Batteries Robust at Low Temperatures

강태경 (Kang Taekyoung, 서남대학교 대학원)

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리튬 이온 2차 전지를 사용하는 제품이 증가하고, 사용 범위 및 환경의 범위도 다양화됨에 따라 리튬 이온 2차 전지도 다양한 환경에서 안정성 및 신뢰성을 확보할 필요가 있다. 안정성 중에서도 가장 기본이 되는 것이 수명과 출력이다. 수명과 출력이 저하되는 원인으로는 양극과 음극 사이에 리튬을 이동시키는 전해액이 충·방전시 온도에 따라 이동 속도가 달라지게 되거나, 전지의 높은 전압과 SEI layer의 저항, 리튬 이온의 느린 확산속도 등의 이유로 리튬 이온이 음극인 흑연의 구조로 삽입되지 못하고 석출되는 문제가 발생한다. 지...
리튬 이온 2차 전지를 사용하는 제품이 증가하고, 사용 범위 및 환경의 범위도 다양화됨에 따라 리튬 이온 2차 전지도 다양한 환경에서 안정성 및 신뢰성을 확보할 필요가 있다. 안정성 중에서도 가장 기본이 되는 것이 수명과 출력이다. 수명과 출력이 저하되는 원인으로는 양극과 음극 사이에 리튬을 이동시키는 전해액이 충·방전시 온도에 따라 이동 속도가 달라지게 되거나, 전지의 높은 전압과 SEI layer의 저항, 리튬 이온의 느린 확산속도 등의 이유로 리튬 이온이 음극인 흑연의 구조로 삽입되지 못하고 석출되는 문제가 발생한다. 지금까지는 단순히 전해액의 이성분계나 삼성분계, 흑연의 천연흑연과 하드흑연 등 단순하게 재료의 관점에서 개선을 진행하다 보니 셀 관점에서는 최적화가 이루어지지 않은 문제가 있었다. 본 연구에서는 이러한 저온에서의 수명과 출력을 저하시키는 원인 규명과 원인에 따른 문제점을 개선하기 위한 인자를 규명하고, 최적화된 셀을 제작하고 실험을 통해 성능을 검증하였다. 앞에서 도출된 개선 인자를 기준으로 저온 수명을 개선하기 위해서는 양극의 전기 전도도 향상과 구조안정화(Coating/Doping), 음극의 출입(표면 계질) 특성 향상과 전해액 함침 향상, 전해액의 이온전도도 향상, 분리막 기공도 향상과 두께 감소, 셀 설계의 전류밀도 감소와 양극 합제밀도 증가로 Li이온이 온도에 상관없이 수명과 출력이 기존 보다 우수한 효과를 나타내게 되었다. 또 다른 측면으로는 저온 출력 개선 방향이 필요하며, 이를 위해서는 양극의 전기전도도 향상과 음극의 배향비 (표면과 내부) 특성 향상, 전해액 함침 향상, 전해액의 이온전도도 향상과 피막 개선 (FEC), Salt 농도 최적화, 분리막의 기공도 향상과 두께감소, 셀 설계의 전류 밀도 감소와 양극 합제밀도 증가가 있다. 양극은 도전재 ECP, 기재는 고연신(15), 음극 바인더는 PAA, 활물질은 MSG18, 전해액은 E20, 분리막 통기도 150/CCS, 설계는 양극합제밀도 3.41, N/P는 1.12 설계를 적용하였을 경우 저온에서도 수명이 개선됨을 실험 결과로 확인하였다. 이상의 결과로 배터리 저온 환경에서 발생하는 저온 수명, 저온 출력 특성을 개선하는 인자가 충분히 검증되었고, 앞으로 도출된 인자를 기준으로 불필요한 DOE를 할 필요가 없어질 것으로 기대한다. 본 연구결과를 다양한 환경에서도 최적의 성능을 발휘할 수 있는 2차 전지 개발에 활용되기를 희망한다.
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As the number of products using lithium ion secondary batteries increases and the range of usage and the range of environment vary, it is necessary to secure stability and reliability in various environments for lithium ion secondary batteries. Among the stability, life and output are the most basic...
As the number of products using lithium ion secondary batteries increases and the range of usage and the range of environment vary, it is necessary to secure stability and reliability in various environments for lithium ion secondary batteries. Among the stability, life and output are the most basic. The reason why the lifetime and the output are lowered is that the movement speed of the electrolyte for moving lithium between the anode and the cathode varies depending on the Temperature during charging and discharging or the resistance of the SEI(Solid Electrolyte Interphase) layer and the slow voltage. There is a problem in that lithium ions can not be inserted into the structure of graphite which is a negative electrode and precipitate. In this paper, to clarify the reasons for lowering the lifetime and output at low Temperature, and to improve the factors according to the causes and to develop an optimized cell, experiments were conducted. In order to improve the electric conductivity of the anode and improve the orientation ratio (surface/internal) of the cathode/improve the impregnation of the electrolyte, improve the ion conductivity of the electrolyte, improve the film/FEC/Salt Density optimization, improved porosity of the separator/reduced thickness, reduced current density in cell design, and increased density of cathode mix. The low-temperature lifetime of the anode material used was Denka Black (active material size 10) and common AL substrate 12. E13 and 15 used ECP (active material 8) conductive material and high-elongation AL material 15. For the cathode, we used the conventional binder SBR/CMC and the active material MC08+MC20, and E13 and 15 were the binder PAA and MSG18. Separator was used for E13 and 220 as 150/CCS in existing 250 CCS based on air permeability. The design is shown to have an effect on low temperature lifetime and power output with the existing cathode mix density of 3.13 and N/P (area ratio of anode and cathode) of 1.09, E13 and E20 using cathode mix density of 3.41 and N/P of 1.12. The major features of the anode active material ECP are that the active material particle size distribution is small and the crystalline structure is superior to the conventional one. The anode has a conductivity measured ECP (Electronic Cell Path), the base material has a high elongation (15), the anode binder is PAA (Polyacrylamide), the active material is MSG18, the electrolyte is E20, the separator air permeability is 150/CCS, the design has a positive electrode mixture density of 3.41 and N/P is 1.12. As a result, the factors that improve the low-temperature lifetime and the low-temperature output characteristics occurring in the low-temperature environment of the battery are sufficiently verified, and it is expected that unnecessary DOE will not be needed based on the derived factors. We have provided sufficient guidelines for reviewing the material to improve the low-temperature power, and I hope it helps to identify the cause.
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표 목차 ⅲ
그림목차 ⅳ
영문초록 ⅵ
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표 목차 ⅲ
그림목차 ⅳ
영문초록 ⅵ
1. 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 동향 3
2. 이론적 배경 5
2.1 리튬 이온 2차 전지 원리 5
2.2 리튬 이온 2차 전지 특성 9
2.3 리튬 이온 2차 전지 구조 11
2.4 리튬 이온 2차 전지 제조 공정 16
2.5 전지의 종류 17
2.6 리튬 이온 2 차 충전방전 18
3. 저온에 따른 배터리 영향도 평가 22
3.1 전극 제조 22
3.2 전지 조립 23
3.3 분리막 설계 23
3.4 분석 방법 26
3.5 평가 결과 29
4. 저온에 강인한 최적 설계 및 실험 결과 65
4.1 전지 제조 방법 66
4.2 측정 67
4.3 양극 영향 67
4.4 음극 영향 70
4.5. 분리막 영향 71
4.6. 전해액 영향 72
4.7 셀설계 영향 73
4.8 전류밀도 영향 74
4.9 최적 설계 비교 결과 75
5. 결론 82
참고문헌 84
국문초록 91