[논문]격자 볼츠만법을 이용한 리튬이온전지의 전극내 전해액 함침현상에 관한 수치적 연구

이상건; 전동협

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.4.357

격자 볼츠만법을 이용한 리튬이온전지의 전극내 전해액 함침현상에 관한 수치적 연구
Numerical Study of Electrolyte Wetting Phenomena in the Electrode of Lithium Ion Battery Using Lattice Boltzmann Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.4 = no.343, 2014년, pp.357 - 363

이상건 (서울대학교 기계항공공학부) , 전동협 (동국대학교 기계부품시스템공학과)

초록
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리튬이온전지의 다공성 전극내에서 전해액 주입 후 발생하는 함침현상에 관하여 격자 볼츠만법을 이용하여 수치해석적으로 연구하였다. 다공성 전극은 전극 제조 중 압연공정을 거치므로 압축된 전극의 공극률과 두께변화가 발생하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 2 차원 격자 볼츠만법을 통하여 압축률에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 제시하였다. 압축된 전극에서의 전해액 침투경로의 변화는 기공의 두께방향 크기 감소에 기인하며, 따라서 전극의 함침성이 크게 감소하였음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrolyte wetting phenomena in the electrode of lithium ion battery is studied numerically using a multiphase lattice Boltzmann method (LBM). When a porous electrode is compressed during roll-pressing process, the porosity and thickness of the compressed electrode are changed, which can affect its wettability. In this study, the change in electrolyte distribution and degree of saturation as a result of varying the compression ratio are investigated with two-dimensional LBM approach. We found that changes in the electrolyte transport path are caused by a reduction in through-plane pore size and result in a decrease in the wettability of the compressed electrode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다공성 전극 내에서 전해액의 전달 현상에 대한 연구를 수행하기 위하여, 다상유동 모델인 Shan and Chen^(9,10) 모델을 적용한 격자 볼츠만법을 사용하여 마이크로채널 내의 유동을 전산모사하였다. 시간에 따른 전해액 분포를 제시하여 전극에서의 전해액 동적 거동 특성을 규명하였으며, 수분 포화도를 제시함으로서 함침성 평가를 하였다.

가설 설정

동시에 압축률에 따라 입자의 두께 방향위치가 재배치 되었다. 음극의 경우 전극 압축시 활물질의 탄성변형이 발생할 수 있으나 본 연구에서는 압축이 진행 되더라도 활물질은 원형의 형상을 유지한다고 가정하였으며, 입자의 재배치에 따른 입자간 겹침현상을 허용하였다. 압축이 진행된 후, Fig.

제안 방법

3(a)은 압축되기 전 형상으로 공극률은 40%로 설정되었다. 두께 방향으로 압축하였으며, 20%와 40%의 두께감소율이 각각 적용되었다. 분리막을 제외한 다공성 전극만이 압축되어 각각 80 lu 와 60 lu 의 두께 방향길이를 가지게 된다.
시간에 따른 전해액 분포를 제시하여 전극에서의 전해액 동적 거동 특성을 규명하였으며, 수분 포화도를 제시함으로서 함침성 평가를 하였다. 또한, 전극은 압연공정으로 인하여 기공이나 전극의 두께가 변화하므로 압연율에 따른 함침도 영향을 고찰하였다.
리튬이온전지의 전극 내 전해액 전달현상을 규명하기 위하여 2 차원 다공성 전극 구조를 Fig. 2 와 같이 형상화하였다. 전극은 입자기반의 다공성 매질로 이루어져 있으며, 전해액은 다공성 전극과 분리막을 통하여 전극 내부로 침투한다.
본 연구의 전해액 동적 거동 해석을 위해 도입된 Shan and Chen 다상유동 모델은 서로 섞이지 않는 상간 경계면을 유지하기 위하여 상호작용 포탠셜 V 을 다음과 같이 정의하였다.
모델을 적용한 격자 볼츠만법을 사용하여 마이크로채널 내의 유동을 전산모사하였다. 시간에 따른 전해액 분포를 제시하여 전극에서의 전해액 동적 거동 특성을 규명하였으며, 수분 포화도를 제시함으로서 함침성 평가를 하였다. 또한, 전극은 압연공정으로 인하여 기공이나 전극의 두께가 변화하므로 압연율에 따른 함침도 영향을 고찰하였다.
압축된 전극에서의 함침성 변화를 고찰하기 위하여 압축률 20%와 40%을 가지는 압축된 전극을 Fig. 3 과 같이 구현하였다. Fig.
전극내 전해액 함침 메커니즘을 파악하기 위하여 Fig. 3 의 다공성 전극모델에 대하여 수치해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

c_i 는 격자 내 미리 지정된 방향 중 i방향 요소의 격자속도를 의미한다. 본 해석에서는 Fig. 1 과 같이 9 개의 방향을 가지는 2 차원 격자 모델인 D2Q9 모델을 사용하였다. 식 (1)에 D2Q9 모델을 적용하여 이산화하면 아래와 같다.
여기서 격자 단위 1 lu 는 1 µm 의 물리적 길이를 의미하며, 1000×105 개의 격자가 사용되었다.

이론/모형

본 연구에서는 Bhatnagar-Gross-Krook(BGK) 충돌 연산자가 적용된 볼츠만 방정식를 사용하였으며, 다음과 같이 분포함수 fi 를 사용하여 표현된다.
본 연구에서는 Shan and Chen 이 제시한 다상유동 격자 볼츠만법을 이용하여 전극의 압축율에 따른 전해액 전달현상에 대한 연구를 수행하였다. 상기 해석을 통하여 전극의 압축에 따른 전해액 포화도 변화를 정량적으로 제시하였으며, 이로부터 압연공정을 통한 전극압축이 전극 내 전해액 함침저하의 직접적인 원인을 제공함을 알 수 있었다.

성능/효과

반면, 20% 압축된 전극의 경우 입구로부터의 침투 경로가 제한됨에 따라 초기의 포화도는 완만한 기울기를 보이지만 이후 분리막으로부터 전극 내로 다수의 침투경로가 형성, 확장됨에 따라 수렴까지 꾸준한 포화도를 보이며 성장을 지속해 나아갔다. 40% 압축된 전극의 경우에는 입구로 부터의 침투 경로가 미형성됨에 따라 분리막으로 부터 전극으로의 침투경로만이 전극 내 기공을 채우게 되며, 다수의 침투경로가 형성되었지만 높은 압축률에 따른 고립된 기공의 증가로 인하여 확장을 지속하지 못하고 비교적 일찍 수렴에 도달하는 경향을 보였다. 전극이 압축됨에 따라 전해액 포화도는 최대 60%의 감소율을 보였다.
6 은 압축률 40% 전극에서의 시간에 따른 전해액 분포변화를 보여준다. 40%의 높은 압축률로 기공의 두께방향 크기는 상당히 감소되었고, 다공성 전극 내에 다수의 고립된 기공이 형성되었다. 저항력으로 작용하는 길이방향 모세관압의 비약적인 증가로 인하여 전해액은 입구의 높은 압력에도 불구하고 전극 내로 침투하지 못한 채 분리막을 통해서만 침투가 진행됨이 Fig.
이는 전극이 압축됨에 따른 두께 방향의 기공 크기의 감소로 인하여 전극 내부로 침투하려는 전해액은 더욱 큰 모세관압과 대치되기 때문이다. 결과적으로, 분리막을 통해 침투하는 전해액 양이 상대적으로 증가하여 빠른 침투속도를 보이게 된다. 이와 같은 현상으로 Fig.
하나는 비교적 높은 압력이 유지되는 입구로부터 다공성 전극으로 직접적으로 침투하는 경로이며, 다른 하나는 모세관압이 상대적으로 낮은 분리막을 통하여 전극내로 빠른 속도로 침투하는 경로이다. 다공성 전극 내로 침투하는 전해액의 침투속도를 비교하면, 분리막을 통한 전해액 침투가 더욱 용이함을 확인할 수 있다. 이는 일반적으로 분리막의 함침속도가 빠르다는 Culpin⁽⁸⁾의 결과와 일치한다.
압축에 따른 기공의 두께방향 크기 감소는 주입된 입구로부터 전극으로 침투하는 침투 지류의 확장을 제한하였다. 더불어, 일찍이 포화된 분리막으로 부터 전극으로의 두께방향 침투 경로의 수는 유지되었으나 높은 압축률로 압축된 전극의 경우 고립된 다수의 기공으로 인하여 침투경로가 확장되지 못하고 빠른 시간에 수렴에 도달함을 보였다.
이는 압축된 전극 내 기공크기의 감소로 인한 기공 내 모세관압과 고립된 기공의 공기 저항력이 증가가 주원인으로 작용한다. 또한 압축에 따른 전해액의 함침 영역과 침투 경로의 변화로 인하여 함침 매커니즘이 변화하였음을 알 수 있었으며, 이는 함침이 완료 되기까지 수렴경향 및 시간에 영향을 미침을 확인 할 수 있었다.
상기 해석을 통하여 전극의 압축에 따른 전해액 포화도 변화를 정량적으로 제시하였으며, 이로부터 압연공정을 통한 전극압축이 전극 내 전해액 함침저하의 직접적인 원인을 제공함을 알 수 있었다. 또한, 전극의 압축에 따른 기공크기 감소와 고립된 기공의 증가는 다공성 전극 내 전해액 전달 메커니즘에 상당한 영향을 미침을 확인하였다. 압축에 따른 기공의 두께방향 크기 감소는 주입된 입구로부터 전극으로 침투하는 침투 지류의 확장을 제한하였다.
본 연구결과에 따른 마이크로 스케일에서 다공성 전극에서의 전해액 함침현상은 세가지 종류의 힘의 상호작용으로 이루어짐을 알 수 있다. 즉, 입구로부터 유입된 전해액의 압력, 유체-고체 계면 간의 모세관압, 그리고 기공에 자리잡은 공기의 저항력이 상호작용한다.
본 연구에서는 Shan and Chen 이 제시한 다상유동 격자 볼츠만법을 이용하여 전극의 압축율에 따른 전해액 전달현상에 대한 연구를 수행하였다. 상기 해석을 통하여 전극의 압축에 따른 전해액 포화도 변화를 정량적으로 제시하였으며, 이로부터 압연공정을 통한 전극압축이 전극 내 전해액 함침저하의 직접적인 원인을 제공함을 알 수 있었다. 또한, 전극의 압축에 따른 기공크기 감소와 고립된 기공의 증가는 다공성 전극 내 전해액 전달 메커니즘에 상당한 영향을 미침을 확인하였다.
7 은 시간에 따른 전극 내 전해액의 포화도를 나타낸 그래프이다. 수렴 후의 전해액 포화도로부터 전극의 압축률이 증가할수록 전극 내 전해액 함침이 저하됨을 확인 할 수 있다. 압축이 일어나지 않은 전극에서는 입구로부터 전극으로 직접 침투하는 침투경로가 활발히 형성됨에 따라 초기에 급격한 기울기를 보이며 충분히 침투를 한 뒤 점점 느린 속도로 확장을 하다가 수렴에 도달하였다.
33 × 10^-6 이다. 이는 모세관 현상에 의한 유동이 지배적인 포복흐름(Creeping flow)영역으로, 본 모델이 다공성 매질 내 다상유동을 모사하기에 적합함을 알려준다.
반면 앞선 결과와 비교하여 침투영역에서 차이를 보였다. 입구에서 전극으로의 침투 경로는 좁은 포화 영역을 보였으며, 분리막으로부터의 침투경로는 보다 넓은 영역의 지류를 형성함이 확인되었다. 이는 전극이 압축됨에 따른 두께 방향의 기공 크기의 감소로 인하여 전극 내부로 침투하려는 전해액은 더욱 큰 모세관압과 대치되기 때문이다.

후속연구

위 결과로부터 압축된 전극에서의 전해액 전달 매커니즘을 규명할 수 있었으며, 본 연구의 수치 해석 결과는 연구 및 실제 상용되는 리튬이온전지의 다공성 전극의 함침성 향상에 중요한 자료로서 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온전지의 장점 및 활용분야는?	리튬이온전지(Lithium-ion batteries)는 1990 년대 소니사(Sony Energytech)에 의해 상용화된 이후로, 긴 수명과 작고 가볍게 만들 수 있다는 장점으로 인하여 노트북, 휴대폰 등 휴대용 전자기기의 에너지원으로서 널리 이용되고 있으며, 높은 에너지 밀도, 고출력을 필요로 하는 전기자동차(EV) 및 하이브리드 자동차(HEV)의 에너지원으로 사용되어 차세대 에너지 저장장치로서 주목을 받고 있다.
	리튬이온전지는 어떤 회사에 의해 상용화 되었는가?	리튬이온전지(Lithium-ion batteries)는 1990 년대 소니사(Sony Energytech)에 의해 상용화된 이후로, 긴 수명과 작고 가볍게 만들 수 있다는 장점으로 인하여 노트북, 휴대폰 등 휴대용 전자기기의 에너지원으로서 널리 이용되고 있으며, 높은 에너지 밀도, 고출력을 필요로 하는 전기자동차(EV) 및 하이브리드 자동차(HEV)의 에너지원으로 사용되어 차세대 에너지 저장장치로서 주목을 받고 있다.
	리튬이온전지의 핵심 소재는 전극, 분리막, 전해질인데, 이들의 역할은 무엇인가?	리튬이온전지의 핵심 소재는 전극, 분리막, 전해질로 이들의 구성 방법에 따라 전지의 성능 및 안전성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 리튬이온전지의 전극은 이온의 삽입·탈리가 가능한 다공성층 구조의 양극과 음극으로 이루어져 있다. 분리막은 미세 다공성 고분자막으로 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하고 절연체로서의 역할을 하며, 전해액은 충·방전 시 리튬이온이 두 전극을 이동하는 매개체로서의 역할을 수행한다. (1)

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