신재성
(Dept. of Aerospace Engineering, KAIST)
,
박현욱
(Dept. of Aerospace Engineering, KAIST)
,
박미영
(Dept. of Aerospace Engineering, KAIST)
,
김천곤
(Dept. of Aerospace Engineering, KAIST)
,
김수현
(Convergence Materials Laboratory, Korea Institute of Energy Research)
질량 및 부피 증가없이 전지와 구조물기능을 복합재에 결합시키는 구조전지 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 탄소섬유 및 유리섬유를 하중지지 및 음극, 분리막 용도로 사용하고, 하중전달이 가능한 고체전해질을 모재로 쓰는 것이 현재 아이디어 이지만, 고체전해질이 두 성능을 충분히 만족시키지 못하는 수준이라 구조전지를 구현하지 못하고 있는 실정이다. 그래서, 본 연구는 유리섬유 분리막 및 액체전해질을 사용하여 하중지지 및 전지의 기능을 동시에 수행하는 실험을 구성하여 액체전해액을 사용한 구조전지의 가능성 및 전기적 물성 변화를 관찰하였다. 인장된 분리막은 안정성을 떨어트리는 영향을 미치는데, 이는 양극의 미세입자들이 늘어난 유리섬유의 틈새로 침투하는 것을 분리막이 막지 못하기 때문이라 예상하였고, 상용 분리막을 추가로 사용 하여 그 예상되는 원인을 확인해 보았다. 그리고, 이러한 구조전지 시스템을 구현하기 위해서는 유리섬유 특성의 연구와 전극과 분리막의 계면에 대한 연구가 필요하다.
질량 및 부피 증가없이 전지와 구조물기능을 복합재에 결합시키는 구조전지 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 탄소섬유 및 유리섬유를 하중지지 및 음극, 분리막 용도로 사용하고, 하중전달이 가능한 고체전해질을 모재로 쓰는 것이 현재 아이디어 이지만, 고체전해질이 두 성능을 충분히 만족시키지 못하는 수준이라 구조전지를 구현하지 못하고 있는 실정이다. 그래서, 본 연구는 유리섬유 분리막 및 액체전해질을 사용하여 하중지지 및 전지의 기능을 동시에 수행하는 실험을 구성하여 액체전해액을 사용한 구조전지의 가능성 및 전기적 물성 변화를 관찰하였다. 인장된 분리막은 안정성을 떨어트리는 영향을 미치는데, 이는 양극의 미세입자들이 늘어난 유리섬유의 틈새로 침투하는 것을 분리막이 막지 못하기 때문이라 예상하였고, 상용 분리막을 추가로 사용 하여 그 예상되는 원인을 확인해 보았다. 그리고, 이러한 구조전지 시스템을 구현하기 위해서는 유리섬유 특성의 연구와 전극과 분리막의 계면에 대한 연구가 필요하다.
Structural battery has been researched extensively to combine the functions of the battery and structure without gravimetric or volumetric increments compared to their individual components. The main idea is to employ carbon fabric as the reinforcement and electrode, glass fabric as the separator, a...
Structural battery has been researched extensively to combine the functions of the battery and structure without gravimetric or volumetric increments compared to their individual components. The main idea is to employ carbon fabric as the reinforcement and electrode, glass fabric as the separator, and solid-state electrolyte which can transfer load. However, state-of-the-art solid-state electrolytes do not have sufficient load carrying functionality and exhibiting appropriate ion conductivity simultaneously. Therefore, in this research, a system which has both battery and load carrying capabilities using glass fabric separator and liquid electrolyte was devised and tested to investigate the potential and feasibility of this structural battery system and observe electric properties. It was observed that elongating separator decreased electrical behavior stability. A possible cause of this phenomenon was the elongated glass fabric separator inadequately preventing the penetration of small particles of the cathode material into the anode. This problem was verified additionally by using a commercial separator. The characteristic of the glass fabric and the interface between the electrode and glass fabric needed to be further studied for the realization of such a load carrying structural battery system.
Structural battery has been researched extensively to combine the functions of the battery and structure without gravimetric or volumetric increments compared to their individual components. The main idea is to employ carbon fabric as the reinforcement and electrode, glass fabric as the separator, and solid-state electrolyte which can transfer load. However, state-of-the-art solid-state electrolytes do not have sufficient load carrying functionality and exhibiting appropriate ion conductivity simultaneously. Therefore, in this research, a system which has both battery and load carrying capabilities using glass fabric separator and liquid electrolyte was devised and tested to investigate the potential and feasibility of this structural battery system and observe electric properties. It was observed that elongating separator decreased electrical behavior stability. A possible cause of this phenomenon was the elongated glass fabric separator inadequately preventing the penetration of small particles of the cathode material into the anode. This problem was verified additionally by using a commercial separator. The characteristic of the glass fabric and the interface between the electrode and glass fabric needed to be further studied for the realization of such a load carrying structural battery system.
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문제 정의
그래서, 본 연구는 하중지지와 전지의 성능을 동시에 수행하는 실험을 구성하여 구조전지의 기계적 요소가 미치는 전기적 영향을 관측하고자 하며, 유리섬유 분리막 및 액체전해질을 사용하는 구조전지의 구현 가능성에 관하여 고찰하고자 한다.
기계적 영향을 받는 상용 분리막이 미치는 전기적 특성을 저자 Shirshova와 Arnold 등[17-19]이 연구를 하였는데, 기계적 요소가 분리막 기능에 영향을 미치는 현상과 그로 인한 배터리 성능 감소를 볼 수 있었다. 그래서, 본 연구에서는 유리섬유 분리막이 인장이 되었을 때 미치는 전기적 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 유리섬유 분리막과 액체전해질의 구성으로 하였을 때 기계적요소가 미치는 구조전지의 전기적 특성을 확인해보았다.
본 연구의 목적은 분리막 인장이 미치는 전기적 영향을 알아보는 것이므로, 두 가지 실험이 동시에 진행되어야 한다. Fig.
이러한 문제의 예상되는 원인을 확인하기 위해 추가적으로 실험을 수행하였다.
제안 방법
2a). 따라서, 본 실험에서는 알루미늄 파우치(MTI, Aluminum Laminated Film for Pouch Cell case)로 시편을 감싸는 형태를 고안하였다(Fig. 2b).
본 실험의 목표를 위해 분리막의 인장이 미치는 전기적 특성을 실험해 보았으며, 인장시험이 없는 기본적인 파우치 셀 충방전 곡선은 Fig. 7과 같으며, 분리막이 인장된 상태에서 수행된 실험 결과는 Fig. 8과 같다.
상용 분리막의 pore size가 작은 이유는 dendrite의 성장 및 미세입자의 이동으로 인한 단락을 막기 위함이므로[23], 이와 같은 문제의 원인을 증명하기 위해 Fig. 9와 같이 상용 분리막을 추가로 사용하여 미세입자들의 침투를 막고, 같은 실험을 수행해 보았다.
실험 절차는 먼저 인장시험기를 사용하여 1 mm/min의 조건으로 분리막 인장을 준 뒤에 충방전을 수행하였으며, 치구의 이동거리를 매개 변수로 설정하였다.
대상 데이터
길이 15 cm× 폭 3 cm, Gage length는 9 cm이며, 끝부분 tab의 길이는 3 cm이다.
분리막은 유리섬유(Fig. 4, Glass Fabric 1581-E 처리, JMC Co., Ltd.)와 상용 분리막(Celgard 2400, Celgard LLC.) 사용하였으며, 물성 정보는 아래와 같다.
전극 재료로서는 변수를 줄이기 위해 상용으로 널리 쓰이는 LiCoO2(LCO), Graphite를 사용하였으며(Fig. 3), 전해질 또한 상용으로 널리 쓰이는 LiPF6(EC:DEC 1:1 wt)를 사용하였다.
성능/효과
즉, 인장된 분리막은 배터리의 안전성에 영향을 미치는것을 알 수 있었는데, 이는 미세한 전극입자가 반대쪽 전극으로 이동하는 것을 인장된 유리섬유가 막지 못하여서 생기는 현상이라 예상하였다. 이 현상을 확인하기 위해 미세입자의 침투를 막을 수 있는 상용 분리막을 추가로 사용함으로서 결과적으로 모든 경우에서 전압의 감소없이 cycle이 더 지속되는 안정적인 충방전 곡선을 얻을 수 있었으므로, 안전성이 떨어트리는 예상원인을 확인할 수 있었다.
후속연구
그리고, 유리섬유 분리막을 하중지지 요소로 사용하고 액체전해질을 사용한 구조전지를 구현하기 위해서는 유리섬유의 분리막 용도로서의 특성 및 전극과 분리막의 계면에 대한 연구가 필요함을 알 수 있었으며, 유리섬유 분리막이 구조전지에 사용될 경우 전지성능의 저하를 가져오지 않는 범위의 제한된 인장변형률 상태에서 사용되도록 설계되어야 함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재가 항공분야에서 사용되는 이유는?
복합재는 금속재보다 높은 비강도(Specific strength)와 비 강성(Specific stiffness)을 가지기 때문에, 경량화가 중요한 항공분야에서 널리 사용하고 있다. 금속재와 달리 제작과정이 복잡하지만 다양한 디자인 선택 범위가 확보되며 최근에는 다 기능성(Multifunctional) 복합재의 연구가 활발하게 진행되고 있다[1].
고체전해질로 구조전지를 제작하지 못하는 이유는?
하지만, 고체전해질의 경우 기계적 및 전기적 성능을 동시에 갖추기 위한 연구가 진행 중이나, 현재 두 성능을 동시에 만족시키지 못하는 수준이므로[6,12-16], 완성된 구조 전지를 제작하지 못하는 수준이다.
알루미늄 파우치로 시편을 감싸는 형태를 사용한 이유는?
본 연구의 특성상 인장 하중으로 분리막 인장을 유도 할 수 있으면서 동시에 배터리로서의 구성이 되어야 한다(Fig. 2a).
참고문헌 (23)
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