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격자 볼츠만법을 이용한 리튬이온전지의 활물질 혼합비에 대한 함침성의 영향
Effect of Mixing Ratio of Active Material on the Wettability in 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.40 no.1 = no.364, 2016년, pp.47 - 53  

전동협 (동국대학교 기계부품시스템공학과)

초록
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격자 볼츠만법을 이용하여 리튬이온전지의 전극 내 발생하는 전해액 함침 현상에 관하여 연구하였다. 최근 리튬이온전지는 용량 증가 및 에너지밀도 향상을 위하여 전극 설계시 활물질에 미세입자를 혼합하고 있어, 이로 인하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 될 수 있다. 본 연구에서는 활물질 혼합율에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 알아보았다. 활물질 혼합비의 변화는 전극 내 전해액 함침 메커니즘에 영향을 주어, 전해액 함침속도와 함침도가 변화함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electrolyte wetting phenomena occurring in the electrode of lithium-ion battery was studied using lattice Boltzmann method (LBM). Recently, lithium-ion batteries are being mixed with small particles on the active material to increase the capacity and energy density during the electrode design st...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 양극의 경우 전극밀도를 높이기 위하여 입자 사이즈가 작은 활물질을 첨가하여 전지의 용량을 늘리는 방법을 취하고 있으나 이에 따른 전해액 함침성에 대한 연구는 진행된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 활물질 사이즈가 큰 입자와 작은 입자의 혼합비에 따른 다공성 전극 내에서 전해액의 전달 현상과 함침성에 대한 연구를 수행하였다. 다상유동 모델인 Shan and Chen(8,9) 모델을 적용한 격자 볼츠만법(LBM)을 사용하여 마이크로 공극(micro-pore) 내의 유동을 전산모사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이온전지란 무엇인가? 리튬이온전지(lithium-ion batteries)는 산화·환원반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 장치로서, 핵심 소재로는 양극(cathode)과 음극(anode)을 구성 하는 전극(electrode), 전해질(electrolyte), 분리막 (separator)이 있다. 전극은 이온의 삽입·탈리가 가능한 다공성층 구조로 이루어져 있고, 분리막은 미세 다공성 고분자막으로 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하고 절연체로서의 역할을 하며, 전해액은 충·방전 시 리튬이온이 두 전극을 이동하는 매개체로서의 역할을 수행한다.
리튬이온전지의 다공성 전극 내 유동현상을 해석하는데 LBM이 도입된 이유는? LBM 은 분자 동역학과 볼츠만 방정식을 기반으로 유도되었으며 마이크로 스케일에서의 유동 현 상을 해석하기에 적합한 모델 중 하나로 평가받고 있다. 리튬이온전지의 다공성 전극내 미세 기공을 통한 전해액 함침 현상은 액상과 기상이 공존하는 마이크로 스케일의 이상유동(two-phase flow) 전달 현상으로, 유체-고체간 계면에서 발생하는 모세관 현상이 주요 전달 메커니즘으로 작용한다. 따라서 다공성 매질과 같은 복잡한 구조의 유동해석에 장점이 있는 LBM이 리튬이온전지의 다공성 전극 내 유동현상을 해석하는데 도입되었다.
전극의 역할은? 리튬이온전지(lithium-ion batteries)는 산화·환원반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 화학에너지로 변환시키는 장치로서, 핵심 소재로는 양극(cathode)과 음극(anode)을 구성 하는 전극(electrode), 전해질(electrolyte), 분리막 (separator)이 있다. 전극은 이온의 삽입·탈리가 가능한 다공성층 구조로 이루어져 있고, 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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참고문헌 (10)

  1. Park, J.K., 2010, "Principles and Applications of Lithium Secondary Batteries," Hongrung Pub. Co. 

  2. Wu, M.-S., Liao, T.-L., Wang, Y.-Y. and Wan, C.-C., 2004, "Assessment of the Wettability of Porous Electrodes for Lithium-Ion Batteries," J. Appl. Electrochem., Vol. 34, pp. 797-805. 

  3. Zguris, G.C., 2000, "Fluid-Transfer Properties of Recombinant Battery Separator Media," J. Power Sources, Vol. 88, pp. 36-43. 

  4. Culpin, B., 1995, "Separator Design for Valve-Regulated Lead/Acid Batteries," J. Power Sources, Vol. 53, pp. 127-135. 

  5. Lee, S.G., Jeon, D.H., Kim, B.M., Kang, J.H. and Kim, C.-J., 2013, "Lattice Boltzmann Simulation for Electrolyte Transport in Porous Electrode of Lithium Ion Batteries," J. Electrochem. Soc., Vol. 160, pp. H258-H265. 

  6. Lee, S.G. and Jeon, D.H., 2014, "Numerical Study of Electrolyte Wetting Phenomena in the Electrode of Lithium Ion Battery Using Lattice Boltzmann Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B., Vol. 38, No 4, pp. 357-363. 

  7. Lee, S.G. and Jeon, D.H., 2014, "Effect of Electrode Compression on the Wettability of Lithium-Ion Batteries," J. Power Sources, Vol. 265, pp. 363-369. 

  8. Shan, X. and Chen, H., 1993, "Lattice Boltzmann Model for Simulating flows with Multiple Phases and Components," Phys. Rev. E, Vol. 47, pp. 1815-1819. 

  9. Shan, X. and Chen, H., 1994, "Simulation of Nonideal Gases and Liquid-gas Phase Transitions by the Lattice Boltzmann Equation," Phys. Rev. E, Vol. 49, pp. 2941-2948. 

  10. Zou, Q. and He, X., 1997, "On pressure and Velocity Boundary Conditions for the Lattice Boltzmann BGK Model," Phys. Fluids, Vol. 9, pp. 1591-1598. 

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