[논문]리튬 이차전지의 양극 내부 이온 확산 및 상변화 특성 연구

김수일; 김동철

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.7.665

리튬 이차전지의 양극 내부 이온 확산 및 상변화 특성 연구
Study of Li-Ion Diffusion and Phase Transition in Cathode of Li-Ion Battery 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.7 = no.334, 2013년, pp.665 - 667

초록
AI-Helper

리튬이온 전지의 양극은 다양한 종류의 전이금속재료로 구성되며, 전지의 성능은 양극을 구성하는 금속재료에 의해 많은 영향을 받는다. 이는, 양극 내부에서 리튬이온의 확산 및 상전이 양상이 재료마다 서로 다르게 나타나기 때문이다. 따라서, 충방전 시 양극 내부 리튬이온의 확산 및 상전이를 이해하는 것은 고용량, 고전압 리튬 이차전지를 설계하기 위해 필수적이다. 본 연구에서는 phase field model을 바탕으로 양극 내부의 리튬이온 확산 및 상전이 과정을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Metal ions show various transitions in the cathode of a lithium-ion battery. The diffusion process of lithiumions and the phase transition in the cathode need to be thoroughly understood for the advanced design of an improved lithium-ion battery. Here, we employ a phase field model to simulate the d...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그 중에서도 양극 내부에서 리튬 이온의 확산은 양극 재료에 따라 그 양상이 매우 다르며, 이에 따라 상분포 또한 다르게 나타난다. 본 연구에서는 LiMPO₄ 계열 리튬 이차전지의 양극의 리튬 이온 분포 예측 모델을 개발하였다. 개발한 모델을 이용하여 리튬 이온이 유입될 때 양극 내부의 리튬 이온의 분포 및 상전이 양상을 해석하였다.
본 연구에서는, 리튬 이차전지의 방전 시 전해질로부터 리튬 이온이 양극으로 유입될 때, 리튬 이온의 농도에 따른 양극 내부 리튬 이온의 확산 및 상전이 양상을 phase field model 을 이용하여 수치적으로 해석하고자 한다.

가설 설정

충전 및 방전 시 양극 내부로 리튬 이온이 유출 또는 유입 될 때, 리튬 이온의 확산은 서로 다른 상의 경계에서 주로 일어나며, 각 상의 내부에서는 리튬 이온이 거의 확산 되지 않는다고 알려져 있다. 이에 따라 본 연구에서는 리튬 이온의 유입이 LiMPO₄ 와 MPO₄경계에서만 일어난다고 가정하였으며, 유입되는 리튬 이온의 최대 농도가 0.01, 0.08, 그리고 0.1 인 경우에 대하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

(3) 이러한 리튬 이온의 농도에 대한 시스템의 자유에너지를 구성하고 phase field model 을 적용하여 LiMPO₄ 리튬 이차전지 모델을 완성하였다.
본 연구에서는 LiMPO₄ 계열 리튬 이차전지의 양극의 리튬 이온 분포 예측 모델을 개발하였다. 개발한 모델을 이용하여 리튬 이온이 유입될 때 양극 내부의 리튬 이온의 분포 및 상전이 양상을 해석하였다. 그리고 방전 시 양극에 유입될 때 리튬 이온과 결합한 LiMPO₄ 영역 및 결합하지 못한 MPO₄ 영역으로 상분리가 발생하는 것을 전산모사하였다.
개발한 모델을 이용하여 리튬 이온이 유입될 때 양극 내부의 리튬 이온의 분포 및 상전이 양상을 해석하였다. 그리고 방전 시 양극에 유입될 때 리튬 이온과 결합한 LiMPO₄ 영역 및 결합하지 못한 MPO₄ 영역으로 상분리가 발생하는 것을 전산모사하였다. 또한 유입되는 리튬 이온의 농도에 따라 양극을 구성하는 금속이온과 리튬이온이 결합하는 양상을 LiMPO₄ 및 MPO₄ 상분포를 통해 나타내었다.

이론/모형

3 과 같이 초기 리튬 이온의 농도 분포를 정의하였다. 리튬이온의 확산을 분석하기 위해 개발된 모델은 chemical potential에 의한 확산만을 고려하였다. 추후 electrostatic interaction 과 같은 추가적인 메커니즘은 정확도 향상을 위해 고려한 예정이며 현재는 기본적인 모델 개발을 통해 경향성을 분석하였다.

성능/효과

본 연구에서 적용한 phase field model 은 sharp interface model 에 비해 물질의 확산 및 상 분리 등을 해석할 때 서로 다른 상의 경계를 안정적으로 계산할 수 있다. 또한 상대적으로 계산에 필요한 컴퓨터 용량이 낮고 소요 시간도 매우 짧기 때문에 수 마이크로 또는 나노 스케일 영역의 시스템 거동을 매우 효과적으로 해석할 수 있다.

후속연구

또한 유입되는 리튬 이온의 농도에 따라 양극을 구성하는 금속이온과 리튬이온이 결합하는 양상을 LiMPO₄ 및 MPO₄ 상분포를 통해 나타내었다. 이러한 해석결과는 본 연구를 통해 개발된 리튬 이온전지의 양극내 리튬 이온 분포 예측 모델의 높은 활용성을 제시한다.
리튬이온의 확산을 분석하기 위해 개발된 모델은 chemical potential에 의한 확산만을 고려하였다. 추후 electrostatic interaction 과 같은 추가적인 메커니즘은 정확도 향상을 위해 고려한 예정이며 현재는 기본적인 모델 개발을 통해 경향성을 분석하였다. 분석을 위해 정의된 초기농도는 해석영역 중앙에서 최대값인 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬 이차전지의 성능은 무엇에 영향을 많이 받는가?	리튬 이차전지의 음극에는 주로 탄소(C)가 사용되며, 양극은 주로 코발트(Co), 망간(Mn)과 같은 전이금속과 리튬 이온의 화합물로 구성된다. 리튬 이차전지의 성능은 양극을 구성하고 있는 금속재료에 의해 많은 영향을 받으며, 이에 따라 고성능, 고효율의 리튬 이차전지의 설계를 위해 다양한 양극 재료에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 가장 널리 사용되는 리튬 이차전지는 양극에 Co3+ 이온이 포함되어 있는 Li-Co 전지이다.
	리튬 이차전지의 음극과 양극에는 주로 어떤 물질이 쓰이는가?	전지의 구조는 크게 양극, 전해질, 음극으로 분류 될 수 있다. 리튬 이차전지의 음극에는 주로 탄소(C)가 사용되며, 양극은 주로 코발트(Co), 망간(Mn)과 같은 전이금속과 리튬 이온의 화합물로 구성된다. 리튬 이차전지의 성능은 양극을 구성하고 있는 금속재료에 의해 많은 영향을 받으며, 이에 따라 고성능, 고효율의 리튬 이차전지의 설계를 위해 다양한 양극 재료에 대한 연구가 진행되고 있다.
	양극을 구성하고 있는 금속재료에 따라 리튬 이차전지의 성능이 다르게 나타나는 이유는?	이와 같이 양극 재료에 따른 리튬 이차전지의 성능이 매우 다르게 나타나는 것은, 각각의 금속 재료에 따라 양극 내부에서 리튬 이온의 확산 양상이 다르게 나타나기 때문이다. 리튬 이차전지는 양 전극과 전해질의 화학반응에 따른 리튬 이온 및 전자의 확산으로 전류를 생산하며 전이금속(M)으로 구성된 양극과 전해질 경계에서의 화학반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

참고문헌 (3)

Cahn, J. W. and Hilliard, J. E., 1957, "Free Energy of a Nonuniform System, "The journal of chemical physics," Vol. 28, pp. 258-267.
Zhou, F., 2004, "Phase Separation in LixFePO4 Induced by Correlation Effects, "Physical review B," Vol. 69.
Sing, G.K., Ceder, G., Bazant, M.Z., 2008, Intercalation Dynamics in Rechargeable Battery Materials, " Electrochimica acta," Vol. 53, pp. 7599-7613.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증