Li/SOCl2 전지는 높은 에너지 밀도, 넓은 사용 온도 범위, 낮은 자가 방전 등 타 전지와 차별화된 특성을 갖고 있어 장시간 사용 되는 장비 전원으로 널리 사용되고 있다. 이와 같이 우수한 특성을 갖는 Li/SOCl2 전지는 크게 두 가지의 성능을 개선해야 하는 과제가 남아 있다. 첫째는 초기에 나타나는 전압 지연으로 인한 문제점이다. 초기 전압 지연은 ...
Li/SOCl2 전지는 높은 에너지 밀도, 넓은 사용 온도 범위, 낮은 자가 방전 등 타 전지와 차별화된 특성을 갖고 있어 장시간 사용 되는 장비 전원으로 널리 사용되고 있다. 이와 같이 우수한 특성을 갖는 Li/SOCl2 전지는 크게 두 가지의 성능을 개선해야 하는 과제가 남아 있다. 첫째는 초기에 나타나는 전압 지연으로 인한 문제점이다. 초기 전압 지연은 리튬 표면에 형성된 부동화 막 저항에 의해 리튬 이온의 이동을 방해하여 순간적으로 작동전압을 회복하지 못하는 현상이다. 이와 같은 현상은 최초 장비 사용 시 요구하는 전압보다 초기 작동 전압이 낮아 전원이 공급 되지 못하는 문제를 발생한다. 둘째는 장시간 사용을 요구하는 장비의 전원 및 보안 장비의 전원으로 사용되어 질 때 전지의 잔여 용량을 확인할 수 없어 교체시기를 정확히 예측할 수 없는 문제점이다. 전지의 잔여 용량을 확인하는 일반적인 방법은 방전 중 변화되는 작동 전압의 차이를 이용한다. 하지만 Li/SOCl2 전지는 방전말기까지 평탄한 작동 전압의 형태를 유지한 후 급격히 감소하며 종료되는 특성을 보여 작동 전압의 차이를 이용하는 방법이 불가능하다. 본 연구는 3.65 V Li/SOCl2 전지와 3.90 V Li/SO2Cl2 전지의 특성을 이용하여 SOCl2 및 SO2Cl2를 혼합 한 복합전해액을 기반으로 초기 전압 개선 및 방전 중 작동 전압의 변화가 나타나도록 하여 전지의 용량을 확인 할 수 있도록 하였다. 또한, 전처리 온도의 변화를 통한 리튬 표면의 부동화 막 저항 감소 및 캐소드벌크 밀도의 감소를 통한 초기 작동 전압을 개선하는 연구를 진행하였다. Li/SOCl2 전지에 SOCl2 와 SO2Cl2 전해액을 혼합하여 연구한 결과 다음과 같은 개선효과를 확인하였다. 1. 개로전압을 3.65 V에서 3.90 V 로 높일 수 있다. 2. 복합 전해액은 서로 독립적인 반응을 진행하며, 부동화 막 생성 및 초기 방전 반응은 SO2Cl2에서 이루어지며, 이후 방전 반응은 SOCl2에서 진행 된다. 3. 독립된 방전 반응으로 SO2Cl2에 의해 작동 전압이 0.2 V 상승 되어 초기 전압 지연을 개 선 할 수 있다. 4. 복합 전해액의 혼합 비율에 따라 방전 중 작동 전압 변화 시점을 다르게 할 수 있다. 5. 방전 단계 중 변화되는 작동 전압은 전지의 방전 심도를 확인 할 수 있어 사용자는 전지의 정확한 교체시기를 결정 할 수 있다. 6. 복합 전해액 중 SO2Cl2의 비율을 높게 하면 방전 과정 중 발생하는 황이 감소하여 높은 전류 조건에도 방전 용량을 향상 시킬 수 있다. 7. 전지 제조 후 짧은 시간 고온 전처리를 진행하면 부동화 막 저항을 감소시켜 초기 전압 지연이 개선된다. 8. 캐소드 제조 시 폴리에틸렌글리콜과 증류수를 용매로 하여 고온에서 용매를 제거하면 벌크 밀도를 감소시킬 수 있다. 9. 캐소드의 낮은 벌크 밀도는 동일한 밀도 조건에서 성형 시 전기 전도도를 향상 시켜 초기 전압 지연 현상을 개선 할 수 있다. key word : SOCl2, SO2Cl2, 복합 전해액, 초기 전압 지연, 방전 심도
Li/SOCl2 전지는 높은 에너지 밀도, 넓은 사용 온도 범위, 낮은 자가 방전 등 타 전지와 차별화된 특성을 갖고 있어 장시간 사용 되는 장비 전원으로 널리 사용되고 있다. 이와 같이 우수한 특성을 갖는 Li/SOCl2 전지는 크게 두 가지의 성능을 개선해야 하는 과제가 남아 있다. 첫째는 초기에 나타나는 전압 지연으로 인한 문제점이다. 초기 전압 지연은 리튬 표면에 형성된 부동화 막 저항에 의해 리튬 이온의 이동을 방해하여 순간적으로 작동전압을 회복하지 못하는 현상이다. 이와 같은 현상은 최초 장비 사용 시 요구하는 전압보다 초기 작동 전압이 낮아 전원이 공급 되지 못하는 문제를 발생한다. 둘째는 장시간 사용을 요구하는 장비의 전원 및 보안 장비의 전원으로 사용되어 질 때 전지의 잔여 용량을 확인할 수 없어 교체시기를 정확히 예측할 수 없는 문제점이다. 전지의 잔여 용량을 확인하는 일반적인 방법은 방전 중 변화되는 작동 전압의 차이를 이용한다. 하지만 Li/SOCl2 전지는 방전말기까지 평탄한 작동 전압의 형태를 유지한 후 급격히 감소하며 종료되는 특성을 보여 작동 전압의 차이를 이용하는 방법이 불가능하다. 본 연구는 3.65 V Li/SOCl2 전지와 3.90 V Li/SO2Cl2 전지의 특성을 이용하여 SOCl2 및 SO2Cl2를 혼합 한 복합전해액을 기반으로 초기 전압 개선 및 방전 중 작동 전압의 변화가 나타나도록 하여 전지의 용량을 확인 할 수 있도록 하였다. 또한, 전처리 온도의 변화를 통한 리튬 표면의 부동화 막 저항 감소 및 캐소드 벌크 밀도의 감소를 통한 초기 작동 전압을 개선하는 연구를 진행하였다. Li/SOCl2 전지에 SOCl2 와 SO2Cl2 전해액을 혼합하여 연구한 결과 다음과 같은 개선효과를 확인하였다. 1. 개로전압을 3.65 V에서 3.90 V 로 높일 수 있다. 2. 복합 전해액은 서로 독립적인 반응을 진행하며, 부동화 막 생성 및 초기 방전 반응은 SO2Cl2에서 이루어지며, 이후 방전 반응은 SOCl2에서 진행 된다. 3. 독립된 방전 반응으로 SO2Cl2에 의해 작동 전압이 0.2 V 상승 되어 초기 전압 지연을 개 선 할 수 있다. 4. 복합 전해액의 혼합 비율에 따라 방전 중 작동 전압 변화 시점을 다르게 할 수 있다. 5. 방전 단계 중 변화되는 작동 전압은 전지의 방전 심도를 확인 할 수 있어 사용자는 전지의 정확한 교체시기를 결정 할 수 있다. 6. 복합 전해액 중 SO2Cl2의 비율을 높게 하면 방전 과정 중 발생하는 황이 감소하여 높은 전류 조건에도 방전 용량을 향상 시킬 수 있다. 7. 전지 제조 후 짧은 시간 고온 전처리를 진행하면 부동화 막 저항을 감소시켜 초기 전압 지연이 개선된다. 8. 캐소드 제조 시 폴리에틸렌글리콜과 증류수를 용매로 하여 고온에서 용매를 제거하면 벌크 밀도를 감소시킬 수 있다. 9. 캐소드의 낮은 벌크 밀도는 동일한 밀도 조건에서 성형 시 전기 전도도를 향상 시켜 초기 전압 지연 현상을 개선 할 수 있다. key word : SOCl2, SO2Cl2, 복합 전해액, 초기 전압 지연, 방전 심도
The Li/SOCl2 battery is generally used for power solutions which require long-time operation since the Li/SOCl2 battery has strong characteristics such as high energy density, wide range of operating temperature, low self-discharge rate compared to other batteries. However, there remains 2 main poin...
The Li/SOCl2 battery is generally used for power solutions which require long-time operation since the Li/SOCl2 battery has strong characteristics such as high energy density, wide range of operating temperature, low self-discharge rate compared to other batteries. However, there remains 2 main points to be improved as follows. First point is initial voltage-delay issue which is caused by growth of a passivation film of lithium surface. The resistance of passivation film brings interruption about movement of lithium ion and it prevents working voltage from recovery temporarily. This phenomenon could cause power supply problem due to lower voltage than required working voltage. Secondly, it is difficult to predict the exact time when the Li/SOCl2 battery is required to be replaced. In general, estimating residual capacity is to check the difference about change of working voltage during discharge. However, this is not an accurate way since Li/SOCl2 battery has characteristic that working voltage keeps stable curve before the end of discharge and then dramatically goes down. In this study, it aims to improve intial voltage-delay and make the voltage difference happen during discharge by mixing SOCl2 and SO2Cl2 solvent as complex electrolyte. In addition, it carries out study on improvement about initial voltage by decrease in resistance of passivation film through change in pre-heating and decrease in bulk density of cathode which brings increase in electrical conductivity, As a result of this study, Li/SO2Cl2 battery and Li/SOCl2 battery showed each characteristic respectively in case electrolyte of SO2Cl2 is applied to Li/SOCl2 battery as an addictive or composite electrolyte. Open circuit voltage and high working voltage happened like Li/SO2Cl2 battery at the beginning stage and then characteristic of Li/SOCl2 battery was checked after exhaustion of SO2Cl2 electrolyte. In case of complex electrolyte, initial working voltage and efficiency at high rate discharging condition can be advanced if content of SO2Cl2 electrolyte is increased. Bulk density of cathode can be decreased if solvent is dried at high temperature after mixing process and lowered bulk density has an influence on development of cathode pore and increase in electrical conductivity after cathode forming. In case pre-heating temperature is increased in a short time, intial shape of passivation film grows and this causes increase in distance of the shape. Then, changed shape of passivation film makes improvement on voltage at the beginning of discharge. Following effects are expected when battery consists of complex electrolyte, SO2Cl2 electrolyte mixture to Li/SO2Cl2 battery based on experiments. 1. Open circuit voltage (OCV) of Li/SOCl2 battery was increased from 3.6V to 3.9V. 2. SOCl2 and SO2Cl2 solvent were reacted independently. -. Formation of passivation film and initial discharging reaction from SO2Cl2 -. Discharging reaction afterward from SOCl2 3. The initial voltage delay of Li/SOCl2 battery was improved, because OCV was increased over 0.2V by adding SO2Cl2 solvent. 4. SO2Cl2 should be added over 1.0 wt% to keep improvement on intial voltage for 1 year at room temperature considering loss amount by formation of passivation film. 5. The composite electrolyte with increased SO2Cl2 solvent can increase the discharging capacity of battery at high current condition by decreased discharging product, the sulfur. 6. Different ratio of SOCl2 and SO2Cl2 solvent can control the time of voltage change. 7. It is available to check the right time of battery replacement by observing change in working voltage and battery capacity. 8. Preheating in a short time right after battery production can improve intial voltage delay due to decreased resistance of passivation film. 9. When producing the cathode, bulk density of cathode can be decreased if the solvent is eliminated by the polyethylene glycol and distilled water at high temperature. 10. Lowered bulk density of cathode under same shape density can improve initial voltage delay due to increased electrical conductivity. Key words : SOCl2, SO2Cl2, complex electrolyte, Initial voltage delay, depth of discharge(DOD)
The Li/SOCl2 battery is generally used for power solutions which require long-time operation since the Li/SOCl2 battery has strong characteristics such as high energy density, wide range of operating temperature, low self-discharge rate compared to other batteries. However, there remains 2 main points to be improved as follows. First point is initial voltage-delay issue which is caused by growth of a passivation film of lithium surface. The resistance of passivation film brings interruption about movement of lithium ion and it prevents working voltage from recovery temporarily. This phenomenon could cause power supply problem due to lower voltage than required working voltage. Secondly, it is difficult to predict the exact time when the Li/SOCl2 battery is required to be replaced. In general, estimating residual capacity is to check the difference about change of working voltage during discharge. However, this is not an accurate way since Li/SOCl2 battery has characteristic that working voltage keeps stable curve before the end of discharge and then dramatically goes down. In this study, it aims to improve intial voltage-delay and make the voltage difference happen during discharge by mixing SOCl2 and SO2Cl2 solvent as complex electrolyte. In addition, it carries out study on improvement about initial voltage by decrease in resistance of passivation film through change in pre-heating and decrease in bulk density of cathode which brings increase in electrical conductivity, As a result of this study, Li/SO2Cl2 battery and Li/SOCl2 battery showed each characteristic respectively in case electrolyte of SO2Cl2 is applied to Li/SOCl2 battery as an addictive or composite electrolyte. Open circuit voltage and high working voltage happened like Li/SO2Cl2 battery at the beginning stage and then characteristic of Li/SOCl2 battery was checked after exhaustion of SO2Cl2 electrolyte. In case of complex electrolyte, initial working voltage and efficiency at high rate discharging condition can be advanced if content of SO2Cl2 electrolyte is increased. Bulk density of cathode can be decreased if solvent is dried at high temperature after mixing process and lowered bulk density has an influence on development of cathode pore and increase in electrical conductivity after cathode forming. In case pre-heating temperature is increased in a short time, intial shape of passivation film grows and this causes increase in distance of the shape. Then, changed shape of passivation film makes improvement on voltage at the beginning of discharge. Following effects are expected when battery consists of complex electrolyte, SO2Cl2 electrolyte mixture to Li/SO2Cl2 battery based on experiments. 1. Open circuit voltage (OCV) of Li/SOCl2 battery was increased from 3.6V to 3.9V. 2. SOCl2 and SO2Cl2 solvent were reacted independently. -. Formation of passivation film and initial discharging reaction from SO2Cl2 -. Discharging reaction afterward from SOCl2 3. The initial voltage delay of Li/SOCl2 battery was improved, because OCV was increased over 0.2V by adding SO2Cl2 solvent. 4. SO2Cl2 should be added over 1.0 wt% to keep improvement on intial voltage for 1 year at room temperature considering loss amount by formation of passivation film. 5. The composite electrolyte with increased SO2Cl2 solvent can increase the discharging capacity of battery at high current condition by decreased discharging product, the sulfur. 6. Different ratio of SOCl2 and SO2Cl2 solvent can control the time of voltage change. 7. It is available to check the right time of battery replacement by observing change in working voltage and battery capacity. 8. Preheating in a short time right after battery production can improve intial voltage delay due to decreased resistance of passivation film. 9. When producing the cathode, bulk density of cathode can be decreased if the solvent is eliminated by the polyethylene glycol and distilled water at high temperature. 10. Lowered bulk density of cathode under same shape density can improve initial voltage delay due to increased electrical conductivity. Key words : SOCl2, SO2Cl2, complex electrolyte, Initial voltage delay, depth of discharge(DOD)
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