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리튬 이온 이차전지의 최적 설계를 위한 충돌 영향 인자 분석

An Analysis of Impact Factor for Optimal Design of Lithium Ion Secondary Battery

홍종기 (Hong Chonggi, 서남대학교 대학원)

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휴대용 전자 기기의 사용 시간을 늘리기 위해 리튬 이온 이차 전지의 에너지밀도를 크게 증가시키고 있고, 이를 위해 사용 전압을 높인 고전압 리튬 이온 전지의 출시가 늘고 있다. 또한, 고화질의 영상을 큰 화면으로 즐기고자 하는 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 휴대용 제품의 화면이 대형화되어 용량, 에너지밀도 증가 요구가 잇따르고 있으며 이에 따라 리튬 이온 이차 전지 역시 종횡(縱橫)비가 증가하고 있다. 이런 추세로 인해 새로이 개발된 에너지밀도가 높고 사용 전압이 높은 고용량, 고전압 리튬 이온 이차 전지, 종횡비가 큰 리튬 이온...
휴대용 전자 기기의 사용 시간을 늘리기 위해 리튬 이온 이차 전지의 에너지밀도를 크게 증가시키고 있고, 이를 위해 사용 전압을 높인 고전압 리튬 이온 전지의 출시가 늘고 있다. 또한, 고화질의 영상을 큰 화면으로 즐기고자 하는 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 휴대용 제품의 화면이 대형화되어 용량, 에너지밀도 증가 요구가 잇따르고 있으며 이에 따라 리튬 이온 이차 전지 역시 종횡(縱橫)비가 증가하고 있다. 이런 추세로 인해 새로이 개발된 에너지밀도가 높고 사용 전압이 높은 고용량, 고전압 리튬 이온 이차 전지, 종횡비가 큰 리튬 이온 이차 전지에서는 낙하, 충돌, 관통 발화, 폭발 등의 안전성 문제가 더 많이 발생하고 있다. 따라서, 최근에 리튬 이온 이차전지의 안전성에 대한 중요성이 더 커지고 있다. 안전성에 관한 항목은 주로 낙하, 충돌, 관통, 발화, 폭발 등이 있다. 낙하, 관통, 발화, 폭발에 따른 안전성은 확보되어 있으나, 충돌의 경우 근본적 해결 방법이 없고, 실험적 연구가 진행된 것이 거의 없다. 본 논문에서 전지 구성 요소에 따른 충돌 영향 인자 분석, 전지 설계에 따른 충돌 영향 인자 분석을 통해, 충돌 안전성 해결에 가장 영향을 많이 끼치는 최적 인자를 도출한 다음 도출한 인자에 대해 실험적으로 평가한 결과 각각의 인자가 유효함을 확인할 수 있었다. 최종적으로 최적 인자에 대해 검증하기 위해 에너지밀도가 크고 종횡비가 큰 리튬 이온 폴리머 전지 셀을 제조하여 충돌 안전성을 평가한 결과, 폴리머 리튬 이온 전지 셀에 최적 인자 적용 시 충돌 안전성 문제가 해결됨을 확인할 우 있었다. 따라서 본 논문의 연구를 통해 리튬 이온 전지에서 충돌 안전성 문제를 해결할 수 있는 최적 설계를 도출해 낼 수 있게 되었다. 이상의 결과로 폴리머 리튬 이온 이차 전지의 충돌 안전성 문제를 해결할 수 있는 충분한 Guide ling을 제시하였고, Mechanism을 규명하였다. 이를 통해 폴리머 리튬 이온 전지에서 충돌 안전성 문제가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있을 것으로 기대하며, 리튬 이온 전지의 안전성 강화 설계나 안전성 강화 시뮬레이션 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
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To increase the usage time of portable electronic devices, there is a significant increase in the energy density of lithium ion secondary batteries and the introduction of high voltage lithium ion batteries that increase the working voltage. Also, to satisfy the needs of consumers wanting to enjoy h...
To increase the usage time of portable electronic devices, there is a significant increase in the energy density of lithium ion secondary batteries and the introduction of high voltage lithium ion batteries that increase the working voltage. Also, to satisfy the needs of consumers wanting to enjoy high-definition videos on a large screen, the screen of portable products has been enlarged, prompting a growing demand for higher capacity and energy density. Because of that, Aspect ratio of lithium ion secondary batteries has been enlarged. Due to this trend, more safety problems such as drop, impact, penetration, fire and explosion are occurring in the newly developed high energy density, high voltage lithium ion secondary batteries and large aspect ratio lithium ion secondary batteries. Therefore, the importance of the safety of lithium ion secondary batteries has increased significantly recently. Items related to safety of lithium ion secondary batteries include drops, impacts, penetration, fire and explosion. There is secured safety of drop, penetration, fire and explosion, but there is no fundamental solution for the impact. In this paper, analysis of impact factors influenced by battery components and analysis of impact factors influenced by battery design yields the optimal factor affecting the resolution of the impact safety. An experimental evaluation of the optimal factors which newly elicited yielded that each factor was valid. Finally, as a result of impact safety evaluation of high energy density and large aspect ratio lithium ion polymer batteries in order to verify the optimal factor, the impact safety issue could be resolved when applying the optimal factor to the polymer lithium ion battery cells. Therefore, the study of this paper helped lead out the optimal design for resolving impact safety issues in lithium-ion batteries. As a result, a sufficient guide line was presented to solve the impact safety issue of a polymer lithium ion secondary cell, and identified the mechanism. We expect to proactively prevent the occurrence of impact safety issues in a polymer lithium ion cell, and expect it to be used in the safety reinforcement design or safety reinforcement simulations of the lithium ion batteries.
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표 목차 ⅳ
그림목차 ⅴ
영문초록 ⅷ
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표 목차 ⅳ
그림목차 ⅴ
영문초록 ⅷ
1. 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 경향 4
2. 이론적 배경 6
2.1 리튬 이온 이차 전지 6
2.2 리튬 이온 이차 전지 원리 8
2.3 리튬 이온 이차 전지 특성 10
2.4 리튬 이온 이차 전지 구성요소 12
2.4.1 양극활물질 13
2.4.2 음극활물질 14
2.4.3 전해질 15
2.4.4 분리막 16
3. 전지 구성요소에 따른 충돌 영향 인자 분석 17
3.1 실험 개요 17
3.2 실험 방법 18
3.2.1 충돌 평가 방법 18
3.2.2 인장강도, 연신율 측정 19
3.2.3 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 20
3.3 충돌 모드 21
3.3.1 전압 변화 모드 21
3.3.2 충격량과 충격력 22
3.4 Pouch 영향 인자 분석 24
3.4.1 Pouch 구성요소 24
3.4.2 Pouch 인장강도 25
3.4.3 Pouch 연신율 26
3.4.4 Pouch 소재별 인장강도, 연신율 27
3.4.5 Pouch 내부 흡수 에너지 28
3.4.6 Pouch 인장강도 실험 전후 비교 29
3.4.7 Pouch 절단율 30
3.4.8 Pouch 파단력 31
3.5 음극 기재 두께 영향 인자 분석 32
3.6 고온(45℃) Aging 영향 인자 분석 34
3.6.1 고온(45℃) Aging 전후 비교 34
3.6.2 고온(45℃) Aging 후 양극 저항 증가 36
3.6.3 고온(45℃) Aging 후 음극 피막 특성 37
3.7 전해액 점도 영향 인자 분석 39
3.8 분리막 두께 영향 인자 분석 41
3.9 분리막 인장강도 영향 인자 분석 42
4. 전지 설계에 따른 충돌 영향 인자 분석 43
4.1 실험 개요 43
4.2 기재 영향 인자 분석 44
4.2.1 기재 무지부 44
4.2.2 기재 무지부 Ground수 45
4.3 Short 발생 위치, 면적에 따른 온도 차이 47
4.4 음극 기재 두께와 Short 발생 위치에 따른 온도 차이 49
4.5 셀 내부 Short 모드 51
4.6 Cell 전류밀도 53
4.7 종횡비, 셀 두께, 에너지밀도 55
4.8 셀 폭 56
5. 충돌에 강한 최적 인자 적용 실험 및 검증 57
5.1 실험 개요 57
5.2 전지 제조 방법 60
5.2.1 전지 설계 및 제조 60
5.3 전지 성능 측정 방법 61
5.4 Pouch 인장강도, 두께 영향 인자 실험 62
5.5 음극 기재 두께 영향 인자 실험 65
5.6 고온 Aging(45℃) 환경의 영향 인자 실험 66
5.6.1 고온 Aging(45℃)에 따른 충돌 영향도 해석 66
5.6.2 고온 Aging(45℃) 전후 셀 절단율 감소 현상 분석 67
5.6.3 고온 Aging(45℃) 전후 Pouch 인장강도 분석 71
5.6.4 고온 Aging(45℃) 전후 음극 표면 부반응 비교 (SEM) 75
5.6.5 고온 Aging(45℃) 전후 음극 피막 비교 (XPS) 77
5.6.6 고온 Aging(45℃) 전후 전해액 함량, 함침 수준 변화 78
5.7 기재 무지부 Ground수 영향 인자 실험 79
5.8 최적 인자 검증 결과 80
6. 결론 83
참고문헌 85
국문초록 91