리튬일차전지와의 하이브리드화를 위한 고출력 리튬이차전지의 전기화학적 특성 Electrochemical properties of cell designed to improve high power characteristics of Lithium-ion secondary batteries for hybridization with lithium primary batteries원문보기
현재 RF 통신용 모듈 및 Tracking System, GPS, Smart Grid 등 기존 계량시스템이 아날로그에서 디지털 방식으로 전환됨에 따라 고용량, 장수명 특성뿐만 아니라 High Pulse 및 High Power 의 고출력 특성을 지닌 전지의 필요성이 요구된다. 이에 고에너지밀도 특성을 지닌 리튬일차전지인 Li/SOCl2 와 고출력 특성을 지닌 ...
현재 RF 통신용 모듈 및 Tracking System, GPS, Smart Grid 등 기존 계량시스템이 아날로그에서 디지털 방식으로 전환됨에 따라 고용량, 장수명 특성뿐만 아니라 High Pulse 및 High Power 의 고출력 특성을 지닌 전지의 필요성이 요구된다. 이에 고에너지밀도 특성을 지닌 리튬일차전지인 Li/SOCl2 와 고출력 특성을 지닌 리튬이차전지를 병렬 결합한 하이브리드 전원이 연구되고 있다. 이러한 분야에 사용하는 리튬이차전지는 리튬일차전지인 Li/SOCl2 의 작동 전압인 3.67V로 충전 전위가 제한되고 있으며 제한된 충전 범위인 2.5V-3.67V 에서 충전하더라도 고출력을 구현할 수 있는 특성이 요구된다. 제한된 충전 전위 ( 3.67 V – 2.5 V ) 에서 리튬이차전지의 고출력 특성 향상을 위해서 설계 인자를 양극소재와 음극소재별 재료특성, 양극과 음극의 용량비인 N/P ratio ( Negative / Positive ratio ), 전극 두께 및 압연율 그리고 저온 특성 향상을 위한 EA (Ethyl Acetate) 을 전해액 첨가제로 하여 리튬이차전지의 고출력 특성을 향상 시키고자 하였다. 리튬이차전지의 양극설계는 양극소재 후보군으로 NCA, LFP, LCO 으로 하여 충전 전위에 따른 용량 구현율을 비교하였으며 제한된 충전 전위인 3.67V 에서 고율 방전 용량 구현율이 뛰어난 NCA을 선택하였다. NCA 전극을 이용하여 두께에 따른 loading density, 전극 압연율, 동일 두께에서 양극 조성비에 따른 loading density 을 달리하여 N/P ratio 별 전기화학적 특성을 비교하였다. 리튬이차전지의 음극설계는 Hard Carbon, Soft Carbon, 인조흑연을 후보군으로 XRD, SEM, PSA 을 이용하여 물리적 평가를 하였으며 음극소재에 따른 전기화학적 평가를 진행하였다. 또한 제한된 충전 범위인 3.67V에서 우수한 출력 특성을 내는 soft carbon을 기준으로 이종 카본의 특성을 비교하기 위하여 음극소재를 비율별로 혼합하여 전기화학적 특성을 비교하였다. 리튬이차전지의 전해액설계는 1.2M LiPF6 in EC / EMC / DMC / DEC = 30 / 10 / 40 / 20 (v/v) ( PS1 VC1 FEC3 )을 기본으로 EA ( Ethyl Acetate ) 을 질량비율로 첨가하여 저온 특성을 향상 시키고자 하였다. 본 연구를 통해 설계된 셀은 완전셀로써 파우치타입 셀을 제조하였으며 교류 임피던스 실험을 통한 용액 저항과 전하 이동 저항 비교 분석, 순환전압전류법을 통한 산화 환원 peak 및 그래프 분석, 3전극과 반쪽셀 실험을 통한 실제 양음극의 전압 거동 및 N/P ratio 분석, 충방전 거동에 따른 용량 평가 및 전압 곡선 분석, cycle test을 통한 수명 평가, C-rate test을 통한 율속 평가 그리고 대전류 펄스 방전을 통한 펄스특성 비교 등 전기화학적 평가를 통하여 고출력 특성을 비교하였다.
현재 RF 통신용 모듈 및 Tracking System, GPS, Smart Grid 등 기존 계량시스템이 아날로그에서 디지털 방식으로 전환됨에 따라 고용량, 장수명 특성뿐만 아니라 High Pulse 및 High Power 의 고출력 특성을 지닌 전지의 필요성이 요구된다. 이에 고에너지밀도 특성을 지닌 리튬일차전지인 Li/SOCl2 와 고출력 특성을 지닌 리튬이차전지를 병렬 결합한 하이브리드 전원이 연구되고 있다. 이러한 분야에 사용하는 리튬이차전지는 리튬일차전지인 Li/SOCl2 의 작동 전압인 3.67V로 충전 전위가 제한되고 있으며 제한된 충전 범위인 2.5V-3.67V 에서 충전하더라도 고출력을 구현할 수 있는 특성이 요구된다. 제한된 충전 전위 ( 3.67 V – 2.5 V ) 에서 리튬이차전지의 고출력 특성 향상을 위해서 설계 인자를 양극소재와 음극소재별 재료특성, 양극과 음극의 용량비인 N/P ratio ( Negative / Positive ratio ), 전극 두께 및 압연율 그리고 저온 특성 향상을 위한 EA (Ethyl Acetate) 을 전해액 첨가제로 하여 리튬이차전지의 고출력 특성을 향상 시키고자 하였다. 리튬이차전지의 양극설계는 양극소재 후보군으로 NCA, LFP, LCO 으로 하여 충전 전위에 따른 용량 구현율을 비교하였으며 제한된 충전 전위인 3.67V 에서 고율 방전 용량 구현율이 뛰어난 NCA을 선택하였다. NCA 전극을 이용하여 두께에 따른 loading density, 전극 압연율, 동일 두께에서 양극 조성비에 따른 loading density 을 달리하여 N/P ratio 별 전기화학적 특성을 비교하였다. 리튬이차전지의 음극설계는 Hard Carbon, Soft Carbon, 인조흑연을 후보군으로 XRD, SEM, PSA 을 이용하여 물리적 평가를 하였으며 음극소재에 따른 전기화학적 평가를 진행하였다. 또한 제한된 충전 범위인 3.67V에서 우수한 출력 특성을 내는 soft carbon을 기준으로 이종 카본의 특성을 비교하기 위하여 음극소재를 비율별로 혼합하여 전기화학적 특성을 비교하였다. 리튬이차전지의 전해액설계는 1.2M LiPF6 in EC / EMC / DMC / DEC = 30 / 10 / 40 / 20 (v/v) ( PS1 VC1 FEC3 )을 기본으로 EA ( Ethyl Acetate ) 을 질량비율로 첨가하여 저온 특성을 향상 시키고자 하였다. 본 연구를 통해 설계된 셀은 완전셀로써 파우치타입 셀을 제조하였으며 교류 임피던스 실험을 통한 용액 저항과 전하 이동 저항 비교 분석, 순환전압전류법을 통한 산화 환원 peak 및 그래프 분석, 3전극과 반쪽셀 실험을 통한 실제 양음극의 전압 거동 및 N/P ratio 분석, 충방전 거동에 따른 용량 평가 및 전압 곡선 분석, cycle test을 통한 수명 평가, C-rate test을 통한 율속 평가 그리고 대전류 펄스 방전을 통한 펄스특성 비교 등 전기화학적 평가를 통하여 고출력 특성을 비교하였다.
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