[논문]정전류/정출력 고속충전 방식에 따른 리튬이온전지의 열화 비교 연구

박선호; 오은택; 박시영; 임지훈; 최진혁; 이용민

doi:10.18770/kepco.2020.06.02.173

[국내논문] 정전류/정출력 고속충전 방식에 따른 리튬이온전지의 열화 비교 연구
Effect of Fast Charging Mode on the Degradation of Lithium-Ion Battery: Constant Current vs. Constant Power 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.6 no.2, 2020년, pp.173 - 179

박선호 (Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)) , 오은택 (Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)) , 박시영 (Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)) , 임지훈 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 최진혁 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) , 이용민 (Department of Energy Science and Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST))

초록
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전기자동차의 보급이 확대됨에 따라, 소비자의 고속충전에 요구가 높아지고 있으나 관련 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂/Graphite 18650 실린더형 리튬이온전지를 이용하여, 정전류와 정출력 충전방식에 따른 전지 열화현상을 비교한다. 정전류모드의 충전속도를 1C, 2C, 3C, 4C로 설정하고, 각 충전속도에서의 에너지를 기반으로 정출력값을 산정하였다. 따라서, 동일 충전 에너지를 기반하여, 두 충전방식에 따른 전지 열화를 분석한 결과, 3C의 높은 율속에서 정출력 충전방식이 전지의 열화를 늦출 수 있음이 전압곡선, 용량유지율, 직류저항값으로 확인되었다. 그러나, 충전속도를 4C 이상 높이면, 충전방식보다 전지간 편차가 열화 거동을 지배하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electric vehicles (EVs) using lithium secondary batteries (LIBs) with excellent power and long-term cycle performance are gaining interest as the successors of internal combustion engine (ICE) vehicles. However, there are few systematic researches for fast charging to satisfy customers' needs. In this study, we compare the degradation of LIB where its composition is LiNi0.5Co0.2Mn0.3/Graphite with the constant current and constant power-charging method. The charging speed was set to 1C, 2C, 3C and 4C in the constant current mode and the value of constant power was calculated based on the energy at each charging speed. Therefore, by analyzing the battery degradation based on the same charging energy but different charging method; CP charging method can slow down the battery degradation at a high rate of 3C through the voltage curve, capacity retention and DC-IR. However, when the charging rate was increased by 4C or more, the deviation between the LIBs dominated the degradation than the charging method.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. 고속충전을 위해 제안된 충전 프로토콜 개략도.
표 TABLE 1 Specification of the Cylindrical Lithium-Ion Battery Cell (INR-18650)
표 TABLE 2 The Power Value for Each Constant Power (CP) Corresponding with Constant Current (CC)
그림 Fig. 2. The calculation approach of power corresponding to each current rate.
그림 Fig. 3. Voltage and current profiles of INR-18650 cells during CC and CP charging at 1C (a)(b) and 2C (c)(d).
그림 Fig. 4. Voltage and current profiles of INR-18650 cells during CC and CP charging at 3C (a)(b) and 4C (c)(d) with standard deviations.
그림 Fig. 5. Capacity retention behavior as a function of accumulated charging energy under different charging rates of (a) 1C, (b) 2C, (c) 3C, and (d) 4C.
그림 Fig. 6. DC-IRs of INR-18650 cells at different state-of-charge (SOC) before and after cycling at (a) 1C, (b) 2C, (c) 3C, and (d) 4C.

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하게 되면, 전 해질 산화 분해와 같은 전지의 열화 반응을 줄일 수 있는 장점이 있다 [16]. 따라서, 본 연구에서는 고속충전을 고려한 전류 범위에서 CC와 CP 충방전에 따른 전지의 전압 거동, 저항 변화, 그리고 전지 열화 정도를 비교 분석하고자 한다.

제안 방법

5C (1 A)로 고정하여 방전 율속에 따른 전지 열화를 최소화하였다. 각 충전 Cut-off는 충전 에너지로 설정하여, 1회 충전 시 CC 및 CP 모드에 상관없이 동일한 에너지가 충전되도록 설계하였다. 그리고, 고속 충전 수명 평가에 따른 용량 유지율 측정에 있어서도 충방전 모두 0.
5 V로 설정하였다. 그리고, 결과의 신뢰성 확보를 위해, 각 충전 모드에서 최소 3개 이상의 전지를 평가하였고, 최대 허용 전류가 10 A이고 전류 정밀도가 1 mA인 충방전기 (5.0 V, PNE Solution, Korea)를 사용하였다. 또한, 측정 온도는 25 °C로 설정하였고, 방전 전류는 0.
각 충전 Cut-off는 충전 에너지로 설정하여, 1회 충전 시 CC 및 CP 모드에 상관없이 동일한 에너지가 충전되도록 설계하였다. 그리고, 고속 충전 수명 평가에 따른 용량 유지율 측정에 있어서도 충방전 모두 0.5C의 저율 조건을 적용하였고, 충전은 CC/CV (4.3 V/0.05C) 조건으로 방전은 CC (2.5 V) 조건으로 평가하였다. 또한, 평가 전지에 대한 저항 열화를 확인하기 위하여 HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) 기반 DC-IR (Direct Current-Internal Resistance) 변화를 측정하였다 [17].
5C (1 A)로 낮게 운영하였다. 또한, CC와 CP 충전을 동일한 기준으로 비교하기 위해, 누적 충전 에너지를 기준으로 각 충전 방식에 따른 전지 열화를 비교하였다. 약 400회의 충방전지 진행되었을 때, 누적 충전 에너지가 1C 조건에서는 2,997.
또한, 측정 온도는 25 °C로 설정하였고, 방전 전류는 0.5C (1 A)로 고정하여 방전 율속에 따른 전지 열화를 최소화하였다.
5 V) 조건으로 평가하였다. 또한, 평가 전지에 대한 저항 열화를 확인하기 위하여 HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) 기반 DC-IR (Direct Current-Internal Resistance) 변화를 측정하였다 [17]. 이 때, 방전 펄스는 5C (10 A), 충전펄스는 3.
본 연구에서는 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂/Graphite 18650 실린더형 리튬이온전지를 이용하여, 정전류와 정출력 고속 충전 방식에 따른 전지 열화 거동을 비교하였다. 이를 위해, 충전 에너지를 동일하게 제어하면서, 충전 모드(CC 및 CP)를 달리하여 충전하는 방법도 제안하였다.
3O₂/Graphite 18650 실린더형 리튬이온전지를 이용하여, 정전류와 정출력 고속 충전 방식에 따른 전지 열화 거동을 비교하였다. 이를 위해, 충전 에너지를 동일하게 제어하면서, 충전 모드(CC 및 CP)를 달리하여 충전하는 방법도 제안하였다. 이를 이용해 충전 율속 및 모드에 따른 충방전을 진행하면서, 전압/전류 곡선 변화, 용량 유지율, SOC에 따른 DC-IR 변화로 전지 열화를 비교 분석하였다.
이를 위해, 충전 에너지를 동일하게 제어하면서, 충전 모드(CC 및 CP)를 달리하여 충전하는 방법도 제안하였다. 이를 이용해 충전 율속 및 모드에 따른 충방전을 진행하면서, 전압/전류 곡선 변화, 용량 유지율, SOC에 따른 DC-IR 변화로 전지 열화를 비교 분석하였다. 전반적으로 CP 충전이 동일율 속에서 전지 열화를 억제할 수 있었으나, 1C 및 2C의 낮은 율속에서는 그 효과가 크지 않았다.

대상 데이터

본 연구에서는 상용 원통형전지 (INR-18650)를 선택하여 사용하였다. INR-18650 리튬이온전지는 직경 18 mm, 높이 65 mm인 원통의 형태이며, 전지 공칭 용량은 2 Ah이며, 양극과 음극은 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O 2(NCM)와 Graphite로 각각 구성된다. 또한, 각 전극의 로딩 레벨, 두께, 밀도, 평균용량도 TABLE 1에 정리되었다.
각 충전 모드 (CC, CP)의 전류값 선정 및 각 전류값에 해당하는 출력값 산정에 있어, CC에서는 전지의 공칭 용량 (2 Ah)을 기준으로 1C (2 A), 2C (4 A), 3C (6 A), 그리고 4C (8 A)의 4가지 전류값을 선정했다. 각 전류값에 대응하는 CP에서 출력값은 Fig.
본 연구에서는 상용 원통형전지 (INR-18650)를 선택하여 사용하였다. INR-18650 리튬이온전지는 직경 18 mm, 높이 65 mm인 원통의 형태이며, 전지 공칭 용량은 2 Ah이며, 양극과 음극은 LiNi0.

성능/효과

Fig. 5(a)와 5(b)와 같이 1C와 2C 충전 율속 조건에서는 누적충전용량이 약 3,000 Wh이상 되더라도, 충전 모드에 따른 방전 용량 유지율이 크게 차이 나지 않고 모두 90% 이상의 용량 유지율이 확인되었다. 그러나, 3C 충전 율속에서는 CC 충전보다 CP 충전에 따른 용량 유지율이 우수함이 Fig.
018 V로 향상되었다. 4C 충전 율속 조건에서도 CC 충전보다 CP 충전이 전지 열화를 억제하는 데 효과가 있어 보이나, 전지 간 편차가 더욱 커지고 있음이 확인되었다. 이를 표준 편차로 비교해 보면, CC 충전 모드에서 ±0.
구체적으로 1C (2 A) CC 충전에 해당하는 CP 충전에서는 최고 2.46 A에서 최저 1.80 A가 인가되었으며, 2C (4 A) CC 충전에 해당하는 CP 충전에서는 그 범위가 4.80 A에서 3.56 A로 변했다.
전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 보급이 급격히 늘어난 이유는, 리튬이온전지 (Lithium-ion Batteries, LiBs)의 에너지 밀도가 꾸준히 증가했고 전지 가격이 지속적으로 떨어졌기 때문이다. 그 결과, 2018년 4월에 출시된 현대자동차 코나 EV는 64 kWh 리튬이온전지를 탑재하여, 일 충전 주행거리를 400 km 수준으로 늘릴 수 있었다 [1]. 그러나, 내연기관 자동차에 익숙한 소비자들에게는 부족한 충전 인프라 뿐만 아니라, 긴 충전 시간은 큰 불편함으로 다가왔다.
3(a)와 3(c)은 초기 상태에서의 1C와 2C 충전 율속 조건에 따른 전압 및 전류 변화를 나타낸 것으로, CC 또는 CP 충전 모드에 따른 전압 거동에는 큰 차이가 없었다. 다만, CP 충전 모드에서는 전압이 낮은 충전 초기에는 기준 전류값보다 높은 전류값이, 전압이 높아진 충전 말단에는 기존 전류값보다 낮은 전류값이 인가되고 있음이 잘 확인되었다. 구체적으로 1C (2 A) CC 충전에 해당하는 CP 충전에서는 최고 2.
따라서, 고속 충전 조건에서 동일 누적 충전 에너지 기준으로 비교하면, 율속 및 충전 모드에 따라 전지 열화 거동이 달라질 수 있음이 확인되었다.
29 A로 크게 변하고 있다. 약 300 회의 충방전이 진행되면, 3C 조건에서는 2,065.2 Wh, 4C 조건에서는 1,990.8 Wh의 누적 충전 에너지가 인가되었고, 충전 모드에 따른 전지 열화 편차가 더욱 명확하게 드러났다. 특히, Fig.
또한, CC와 CP 충전을 동일한 기준으로 비교하기 위해, 누적 충전 에너지를 기준으로 각 충전 방식에 따른 전지 열화를 비교하였다. 약 400회의 충방전지 진행되었을 때, 누적 충전 에너지가 1C 조건에서는 2,997.2 Wh가 2C 조건에서는 2,827.2 Wh로 확인되었다. CC 및 CP 충전 모드에 상관없이 동일한 충전 에너지가 인가된 것은, 실험 설계에서 언급된 바와 같이 각 충전시 충전 에너지로 Cut-off 되었기 때문이다.
따라서, 고속 충전 조건에서 동일 누적 충전 에너지 기준으로 비교하면, 율속 및 충전 모드에 따라 전지 열화 거동이 달라질 수 있음이 확인되었다. 저율에서는 충전 모드에 따른 차이가 미미하나, 특정 율속에서는 CP 충전 모드가 전지 열화를 크게 억제할 수 있었다. 다만, 충전 율속이 너무 높아지면, 충전 모드에 따른 차이 보다 전지간 편차의 영향력이 커짐을 알 수 있었다.
전반적으로 CP 충전이 동일율 속에서 전지 열화를 억제할 수 있었으나, 1C 및 2C의 낮은 율속에서는 그 효과가 크지 않았다.
또한, 각 충전 율속과 방법으로 충방전 평가가 진행된 이후의 DC-IR은 크게 세 가지 특징이 관찰된다. 첫째, 충전 율속 및 방식에 상관없이 SOC가 낮은 영역의 DC-IR 값이 더욱 증가한다는 점, 둘째, 1C나 2C 충전 율속에서는 CC 또는 CP 방식에 따른 DC- IR 저항 증가 변화가 미비하다는 점, 마지막으로 3C 이상에서는 CP 충전에 따른 저항 증가가 CC 충전보다 낮다는 점이다. 다만, 4C 이상에서는 전지 간 편차가 크기 때문에, 상대적으로 큰 오차를 포함하고 있음이 일관되게 관찰된다.
충전 종지 전압과 그 편차로 비교해 보면, CC 충전에서 평균 4.39 V에 표준편차가 ±0.046 V이었던 것이, CP 충전에서는 평균 4.359 V에 표준편차가 ±0.018 V로 향상되었다.

후속연구

따라서, CC보다는 CP 충전 방식이 전지 열화를 억제할 수 있으나, 임계 율속 조건을 잘 파악해야만 최적의 고속 충전 기술을 구현할 수 있을 것이다. 다만, 최적 고속 충전 기법 개발에 있어, 전지 Chemistry, 전지 설계, 구동 전압 범위, Cut-off 조건 등 다양한 인자들이 복합적으로 영향을 주고 있다는 점을 고려하면서 진행해야 할 것이다.
그러나, 3C와 같은 특정 율속에서 CP 충전의 전지 열화 억제 효과가 극대화되었다가, 4C처럼 임계 율속을 넘게 되면 충전 모드 효과와 전지 간 특성 편차에 의한 영향이 혼재되어 나오게 된다. 따라서, CC보다는 CP 충전 방식이 전지 열화를 억제할 수 있으나, 임계 율속 조건을 잘 파악해야만 최적의 고속 충전 기술을 구현할 수 있을 것이다. 다만, 최적 고속 충전 기법 개발에 있어, 전지 Chemistry, 전지 설계, 구동 전압 범위, Cut-off 조건 등 다양한 인자들이 복합적으로 영향을 주고 있다는 점을 고려하면서 진행해야 할 것이다.
한편, 한 선행 연구에서는 충전 초기에 높은 전류가 인가되면, 전극의 기계적 열화를 감소시킬 수 있다고 보고하였으나 이에 대해서는 추가 연구가 필요하다고 판단된다 [15].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차 보급이 급격히 증가한 이유는 무엇인가?	전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 보급이 급격히 늘어난 이유는, 리튬이온전지 (Lithium-ion Batteries, LiBs)의 에너지 밀도가 꾸준히 증가했고 전지 가격이 지속적으로 떨어졌기 때문이다. 그 결과, 2018년 4월에 출시된 현대자동차 코나 EV는 64 kWh 리튬이온전지를 탑재하여, 일 충전 주행거리를 400 km 수준으로 늘릴 수 있었다 [1].
	다단계 정전류 충전모드는 무엇으로 구성되는가?	그 중 대표적인 예가 다단계 정전류 충전모드 (Multi-stage Constant Current, MCC)이다. MCC는 2개 이상의 CC모드와 하나의 CV모드로 구성된다. MCC는 셀의 특성에 따라 초반에 낮은 전류 또는 높은 전류를 인가한다.
	소비자들에게 전기자동차 사용에 있어 느껴지는 불편함은 무엇인가?	그 결과, 2018년 4월에 출시된 현대자동차 코나 EV는 64 kWh 리튬이온전지를 탑재하여, 일 충전 주행거리를 400 km 수준으로 늘릴 수 있었다 [1]. 그러나, 내연기관 자동차에 익숙한 소비자들에게는 부족한 충전 인프라 뿐만 아니라, 긴 충전 시간은 큰 불편함으로 다가왔다. 이를 개선하기 위해 충전기 보급의 확대와 더불어 고속충전 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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