리튬이온 이차전지용 흑연음극에서 급속충전 시 발생하는 리튬전착에 대한 전기화학적 분석연구 Electrochemical Analysis of Lithium Plating on Graphite Negative Electrode at Quick Charging in Lithium-ion Batteries원문보기
스마트 기기와 전기자동차 등의 사용 양 증가에 따라 충전시간을 단축시키는 급속충전에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 이러한 기기에 주된 에너지원으로는 리튬이온 이차전지가 사용되고 있는데, 급속충전 시의 한계점을 갖고 있다. 그러한 이유로는 주로 음극으로 사용되는 흑연에 대전류가 가해질 때, 리튬이온이 흑연내로 확산되는 속도가 충분히 빠르지 않아서 흑연의 표면에서 리튬이 금속으로 전착되는 반응이 일어나기 때문이다. 이러한 ...
스마트 기기와 전기자동차 등의 사용 양 증가에 따라 충전시간을 단축시키는 급속충전에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 이러한 기기에 주된 에너지원으로는 리튬이온 이차전지가 사용되고 있는데, 급속충전 시의 한계점을 갖고 있다. 그러한 이유로는 주로 음극으로 사용되는 흑연에 대전류가 가해질 때, 리튬이온이 흑연내로 확산되는 속도가 충분히 빠르지 않아서 흑연의 표면에서 리튬이 금속으로 전착되는 반응이 일어나기 때문이다. 이러한 리튬의 전착반응 발생은 전지의 성능과 안전성에 문제를 일으키게 되므로 이에 대한 연구가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 흑연전극에서 급속충전시 발생하는 리튬전착반응에 대한 전기화학적 분석연구를 수행하고자 하였다. 이러한 현상을 이해하기 위해서 인조흑연을 이용해 이미 잘 알려진 실험 방법들인 정전류 충･방전 실험, GITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique) 실험 그리고 펄스 전류 실험을 실시하였고, 이 결과의 분석을 통하여 리튬전착이 일어나는 시점을 전압이 변화하는 시점으로 확인하고 정량적인 분석을 수행하였다. 정전류 충･방전 실험에서 급속충전 시 특성을 C-rate 별로 정용량 충전(300 mAh g-1) 및 정용량 과충전(450 mAh g-1)을 수행하였고, 충전 말단에서 과전압이 줄어드는 지점을 리튬전착이 시작하는 시점으로 선정하였으며 C-rate 증가에 따라 리튬 전착양이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 GITT 실험을 통하여 얻어진 분극을 기반으로 리튬이 흑연으로 삽입되는 분극에 비하여 리튬전착에 대한 분극이 80-90% 수준으로 작아서 더욱 유리한 반응임을 확인하였다. 펄스 전류 실험을 통하여 리튬전착이 발생한 후에는 펄스 저항 중 상대적으로 충전 저항이 감소하는 형태를 보였고 이를 통해 리튬전착을 확인할 수 있었다. 또한 펄스 전류 실험의 voltage transient에서도 리튬전착 후에 shoulder가 새로 나타는 것을 통해 리튬 전착을 확인할 수 있었다. 다양한 전기화학적 검출법을 통해 리튬전착 및 탈착에 대한 거동확인이 가능한 것을 확인하였다.
스마트 기기와 전기자동차 등의 사용 양 증가에 따라 충전시간을 단축시키는 급속충전에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 이러한 기기에 주된 에너지원으로는 리튬이온 이차전지가 사용되고 있는데, 급속충전 시의 한계점을 갖고 있다. 그러한 이유로는 주로 음극으로 사용되는 흑연에 대전류가 가해질 때, 리튬이온이 흑연내로 확산되는 속도가 충분히 빠르지 않아서 흑연의 표면에서 리튬이 금속으로 전착되는 반응이 일어나기 때문이다. 이러한 리튬의 전착반응 발생은 전지의 성능과 안전성에 문제를 일으키게 되므로 이에 대한 연구가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 흑연전극에서 급속충전시 발생하는 리튬전착반응에 대한 전기화학적 분석연구를 수행하고자 하였다. 이러한 현상을 이해하기 위해서 인조흑연을 이용해 이미 잘 알려진 실험 방법들인 정전류 충･방전 실험, GITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique) 실험 그리고 펄스 전류 실험을 실시하였고, 이 결과의 분석을 통하여 리튬전착이 일어나는 시점을 전압이 변화하는 시점으로 확인하고 정량적인 분석을 수행하였다. 정전류 충･방전 실험에서 급속충전 시 특성을 C-rate 별로 정용량 충전(300 mAh g-1) 및 정용량 과충전(450 mAh g-1)을 수행하였고, 충전 말단에서 과전압이 줄어드는 지점을 리튬전착이 시작하는 시점으로 선정하였으며 C-rate 증가에 따라 리튬 전착양이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 GITT 실험을 통하여 얻어진 분극을 기반으로 리튬이 흑연으로 삽입되는 분극에 비하여 리튬전착에 대한 분극이 80-90% 수준으로 작아서 더욱 유리한 반응임을 확인하였다. 펄스 전류 실험을 통하여 리튬전착이 발생한 후에는 펄스 저항 중 상대적으로 충전 저항이 감소하는 형태를 보였고 이를 통해 리튬전착을 확인할 수 있었다. 또한 펄스 전류 실험의 voltage transient에서도 리튬전착 후에 shoulder가 새로 나타는 것을 통해 리튬 전착을 확인할 수 있었다. 다양한 전기화학적 검출법을 통해 리튬전착 및 탈착에 대한 거동확인이 가능한 것을 확인하였다.
As the usage of smart devices and EVs(electric vehicles) increases, the demand for the quick charging performance is increasing for the short charging time. Lithium-ion batteries(LIBs) are used as major energy source for these devices however, there is a limit in quick charging. When a large current...
As the usage of smart devices and EVs(electric vehicles) increases, the demand for the quick charging performance is increasing for the short charging time. Lithium-ion batteries(LIBs) are used as major energy source for these devices however, there is a limit in quick charging. When a large current is applied to the graphite used mainly as a negative electrode in LIBs, lithium ions are electroplated on the surface of graphite instead of the intercalation into the graphite because the rate at which lithium ions diffuse into graphite is not sufficiently fast. The occurrence of lithium electroplating reaction causes problems about the electrochemical performance and safety of LIBs, therefore the research on the electroplating on the graphite is considered necessary. In order to understand these phenomena, the several electrochemical tests such as constant current charge/discharge, GITT(galvanostatic intermittent titration technique), and pulse current test are quantitatively carried out. Through these analyses, the plating and stripping capacity can be measured by the determination of the points when the lithium plating starts and the lithium stripping ends with various current density(C-rate). When the graphite electrode is evaluated by the quick-charging(SOC100, 300 mAh g-1) and quick-overcharging(SOC150, 450 mAh g-1) test, the amount of lithium electrodeposition increases with increasing C-rate. As the polarization of lithium plating compared to lithium intercalation is about 80–90% obtained through GITT, the lithium plating is expected to occur relatively easily. In the pulse current experiment, the pulse resistance during charging decreases when the lithium plating happens and the change of pulse resistance can be the indicator for the lithium plating detection. The lithium plating is also identified by the new appearance of the shoulder-peak in the voltage transient after charging pulse. Thus, the behavior of lithium plating and stripping can be studied by the proposed electrochemical detection methods.
As the usage of smart devices and EVs(electric vehicles) increases, the demand for the quick charging performance is increasing for the short charging time. Lithium-ion batteries(LIBs) are used as major energy source for these devices however, there is a limit in quick charging. When a large current is applied to the graphite used mainly as a negative electrode in LIBs, lithium ions are electroplated on the surface of graphite instead of the intercalation into the graphite because the rate at which lithium ions diffuse into graphite is not sufficiently fast. The occurrence of lithium electroplating reaction causes problems about the electrochemical performance and safety of LIBs, therefore the research on the electroplating on the graphite is considered necessary. In order to understand these phenomena, the several electrochemical tests such as constant current charge/discharge, GITT(galvanostatic intermittent titration technique), and pulse current test are quantitatively carried out. Through these analyses, the plating and stripping capacity can be measured by the determination of the points when the lithium plating starts and the lithium stripping ends with various current density(C-rate). When the graphite electrode is evaluated by the quick-charging(SOC100, 300 mAh g-1) and quick-overcharging(SOC150, 450 mAh g-1) test, the amount of lithium electrodeposition increases with increasing C-rate. As the polarization of lithium plating compared to lithium intercalation is about 80–90% obtained through GITT, the lithium plating is expected to occur relatively easily. In the pulse current experiment, the pulse resistance during charging decreases when the lithium plating happens and the change of pulse resistance can be the indicator for the lithium plating detection. The lithium plating is also identified by the new appearance of the shoulder-peak in the voltage transient after charging pulse. Thus, the behavior of lithium plating and stripping can be studied by the proposed electrochemical detection methods.
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