[논문]폐 리튬이온 배터리 셀의 재활용을 위한 스크리닝 방식 고찰

이춘구; 박종후; 이성준; 김종훈

폐 리튬이온 배터리 셀의 재활용을 위한 스크리닝 방식 고찰
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이춘구 (숭실대학교) , 박종후 (숭실대학교) , 이성준 (조선대학교) , 김종훈 (충남대학교)

일반적으로 리튬이온은 배터리들은 각 배터리마다 고유의 전기화학적 특성을 갖고 있으며 이러한 특성들로 인해서 직렬 또는 병렬로 패키징 되어서 팩으로 사용 될 때 각 셀 간의 전압 불균형이 발생하게 된다. 셀 벨런싱 회로 같은 셀 간 불균형을 회복시켜주는 기능이 없다면 배터리 팩 내의 셀 간 전압 불균형은 시간이 지남에 따라 더 커지게 되고 이는 배터리 팩의 노화를 가속 시키거나 배터리 팩의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 이는 폐 리튬이온 배터리 팩을 재활용하는데 있어서도 반드시 고려해야하는 사항으로서 재활용 팩의 사용시간에 영향을 끼칠 수 있다. 위의 문제를 극복하기 위해서는 배터리 팩을 만들기 전에 스크리닝을 통해서 전기화학적 성분이 유사한 배터리들을 팩으로 만드는 것이 필요하다. 일반적으로 프레시 배터리의 용량은 거의 비슷하기 때문에 프레시 배터리 용량은 프레시 배터리를 스크리닝 하기 위한 많은 기준들 중에서 가중치가 크지 않지만 폐 리튬이온 배터리들은 각 배터리마다 고유의 전기화학적 특성을 갖을 뿐만 아니라 각 배터리마다 상이한 배터리 용량을 갖고 있기 때문에 각 배터리의 용량에 프레시 배터리를 스크리닝 할 때보다 큰 가중치를 두어 스크리닝 할 필요가 있다. 본 논문에서는 같은 전류 프로파일로 노화된 배터리 팩 내의 셀들의 전기화학적 특성을 분석하여 폐배터리 셀들을 재활용하기 위한 스크리닝 방법에 대해서 고찰한다.

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문제 정의

본 논문에서는 가속 노화 실험이 아닌 실사용을 통해서 노화된 LG 18650 B3 폐배터리 셀들을 전기화학적 특성과 용량을 기준으로 분석하여 폐배터리 셀들을 재활용하기 위한 스크리닝 방법에 대해서 고찰한다.^{[1 2]}
본 논문에서는 같은 전류 프로파일로 노화된 폐배터리 셀들의 전기화학적 특성을 분석하여 폐배터리 셀들을 재활용하기 위한 스크리닝 방법에 대해서 고찰하였다. 전기화학적 특성을 분석하기 위해서 배터리 등가 저항 모델을 사용하였고 실험을 통해서 각 파라미터 값을 SOC 구간마다 추출 하여 분석했다.

제안 방법

본 논문에서는 같은 전류 프로파일로 노화된 폐배터리 셀들의 전기화학적 특성을 분석하여 폐배터리 셀들을 재활용하기 위한 스크리닝 방법에 대해서 고찰하였다. 전기화학적 특성을 분석하기 위해서 배터리 등가 저항 모델을 사용하였고 실험을 통해서 각 파라미터 값을 SOC 구간마다 추출 하여 분석했다. 셀들의 파라미터 결과 값들 중 선형성을 갖는 값을 찾기는 힘들었으나 R_diff, C_diff 파라미터의 경우는 구간마다의 크기를 분석 하였을 때 경향성을 확인 할 수 있었다.
폐배터리 등가 저항 모델에서의 파라미터 R_i, R_diff, C_diff는 상온 25℃에서 실험을 통해 구하였으며 SOC 5%를 기준으로 각 파라미터를 측정하였다.
폐배터리 셀의 용량은 CV mode 충전 후 CC mode 방전을 이용하여 방전용량을 측정하였다. 아래의 그림 2는 각 셀들의 용량 그래프이다.

성능/효과

전기화학적 특성을 분석하기 위해서 배터리 등가 저항 모델을 사용하였고 실험을 통해서 각 파라미터 값을 SOC 구간마다 추출 하여 분석했다. 셀들의 파라미터 결과 값들 중 선형성을 갖는 값을 찾기는 힘들었으나 R_diff, C_diff 파라미터의 경우는 구간마다의 크기를 분석 하였을 때 경향성을 확인 할 수 있었다. 특히 SOC 10%에서 측정 한 C_diff 값과 SOC 5%에서의 R_diff 값은 배터리의 용량과도 관계가 있는 것으로 보이기 때문에 이를 바탕으로 폐배터리 셀들을 효과적으로 스크리닝 할 수 있을 것으로 기대된다.
특히 SOC 5% 구간에서 측정한 R_diff 크기를 기준으로 내림차순으로 셀을 나열하면 A 8, A 1, A 2, A 4, A 5, A 7, A 6, A 3 순인데 이는 폐배터리 셀들의 용량을 오름차순으로 정리 하였을 때의 순서와 같다. 위의 실험 결과를 보았을 때 SOC 5% 구간에서 측정한 R_diff의 값이 폐배터리 셀들의 용량과 반비례 하는 관계인 것을 알 수 있다. 하지만 SOC 5% 구간에서 측정한 R_diff의 값의 편차가 폐배터리 셀의 용량편차와 같지는 않기 때문에 이 팩터를 기준으로 폐배터리 셀의 용량을 추정 할 수는 없다.

후속연구

다음 연구에서는 이번 연구에서 확인 된 폐배터리 셀들의 특징이 다른 폐배터리 팩의 배터리 셀들에서도 나타나는지 확인 해야겠고 이를 바탕으로 하여 파라미터에 다양한 가중치를 두고 직접 실험하여 폐배터리 셀들을 스크리닝하여 재활용 배터리 팩을 구성할 때 향상 되는 성능을 실험 결과를 통해서 증명해야할 것이다.
셀들의 파라미터 결과 값들 중 선형성을 갖는 값을 찾기는 힘들었으나 R_diff, C_diff 파라미터의 경우는 구간마다의 크기를 분석 하였을 때 경향성을 확인 할 수 있었다. 특히 SOC 10%에서 측정 한 C_diff 값과 SOC 5%에서의 R_diff 값은 배터리의 용량과도 관계가 있는 것으로 보이기 때문에 이를 바탕으로 폐배터리 셀들을 효과적으로 스크리닝 할 수 있을 것으로 기대된다.

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