프레젠테이션

시대의 급속한 발전과 함께 리튬 이온 배터리(LIB)는 전기 및 하이브리드 전기 자동차에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 리튬 이온과 전자 전달은 이질적인 구조에 크게 의존하기 때문에 출력 전력 밀도를 높이기 위해서는 전극 층에 최적의 다공성 구조를 설계할 필요가 있습니다. 어쨌든 고용량 양극 활물질로 Si와 Sn 전극이 개발되어 왔습니다. 특히 용량, 안전성, 사이클링 성능 측면에서 다양한 신소재가 보고되고 있습니다. 그러나 이러한 음극 소재를 이용한 전극 구조 설계는 충-방전 시 부피 팽창 효과를 고려해야 하고, 설계가 어렵다는 이유로 연구가 거의 진행되지 않았습니다. 이전 연구에서는 활물질의 부피 팽창을 계산의 파라미터로 사용하면서 전기화학 반응과 질량 전달을 계산했습니다. 이 연구에서는 먼저 이 시뮬레이션의 결과를 실제 두께 변화 및 실험적으로 얻은 충전 곡선과 비교했습니다. 다음으로, 이 모델을 사용하여 충전 조건에서 각 양극 활물질을 비교했습니다. 이전 시뮬레이션 모델을 사용했습니다. (1) 전극층이 균일한 다공성 구조이므로 1차원 계산을 수행하고, (2) 셀 내 온도 분포가 균일하며, (3) 활성 물질의 입자 크기가 작아 리튬이 활성 물질 입자 내에서 빠르게 확산된다는 가정을 세웠습니다. 따라서 입자 내 리튬 농도 분포가 균일합니다. (4) 양극 활성 물질은 LiCoO2이고 음극은 흑연 또는 실리콘입니다. (5) 전극 층에서 발생하는 균열 및 스팔링의 영향은 무시됩니다.

애플리케이션

본 논문에서는 리튬이온전지의 셀 성능을 향상시키기 위해서는 소재 개발뿐만 아니라 전극 구조의 최적 설계가 중요하다는 사실에 주목합니다. 그러나 음극 활물질의 부피 팽창이 내부 현상에 미치는 영향에 대한 검토가 어려워 최적의 전극 층의 효과를 파악하기 위한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다. 본 연구에서는 음극 활물질인 흑연과 실리콘의 경우, 활물질의 팽창률이 순충전 용량과 순충전 다중 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 충전 특성은 다공성 전극 이론을 기반으로 팽창에 따른 파라미터 변화를 표현하는 방정식을 사용하여 계산했습니다. 또한 실험적으로 측정한 두께 변화 및 충전 곡선과의 비교를 통해 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증했습니다. 그 결과 흑연 전지의 배터리 용량은 고다수성 조건에서 실리콘 전지보다 더 높은 것으로 나타났습니다. 효과적인 이온 전도도 파라미터로서의 동적 구조 특성은 다공성 구조에 따라 달라지며, 이는 다이어프램 근처에서 감소하고 이온 전도 저항을 증가시킵니다. Si의 경우, 반응이 다이어프램 근처에서 현저히 집중되기 때문에 Si 활성 물질의 활용도는 흑연보다 낮습니다.

그림 3 이 시뮬레이션 모델의 유효성을 확인하기 위해 충전 성능과 전극층 두께 변화 사이의 관계를 조사했습니다. 그리고 그 결과를 시뮬레이션 결과와 비교했습니다. 전기화학 관측 시스템(ECCS B310, 일본 Lasertec사)을 사용하여 충전 조건에서 LiB의 단면을 관찰했습니다. 그림 4는 충전 성능과 두께 변화에 대한 측정 및 실험 결과와 계산 결과의 예를 보여줍니다. LCO와 흑연 전극 층은 각각 음극과 양극으로 사용되었습니다. 이 비교에서는 두 전극 모두 40µm의 두께로 시뮬레이션을 수행했습니다. 이는 그림 3과 다릅니다. 그림 4 (a)는 각 SOC의 셀 두께 변화를 네 지점에서 측정한 것입니다. 이 플롯에서 충전 곡선과 두께 변화에 대한 계산 결과와 실험 결과는 거의 동일합니다. 따라서 시뮬레이션의 유효성을 확인할 수 있습니다.

출처

저자: 이노우에 겐 , 이케시타브 카즈키 , 이와붑 미나미 , 사가에브 유카리 , 카와세 모토아키

기관: 큐슈대학교 화학공학부, 큐슈대학교 화학공학부, 후쿠오카현 니시구 모토오카 744, 819-0395, 일본; 교토대학교 화학공학부, 교토 교토다이가쿠 카츠라, 교토, 615-8510, 일본 교토대학교 화학공학과, 교토 교토다이가쿠 가쓰라, 교토, 615-8510, 일본

저널: 전기화학회

기사 소스 웹사이트.활성 물질의 부피 팽창 효과가 있는 리튬 이온 배터리 시뮬레이션