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문제 정의
- 본 논문에서는 다른 양극 물질을 가지는 NCA, NMC 계열 리튬이온 배터리를 사용하여 전기자동차 혹은 ESS같은 실제 어플리케이션에서 발생할 수 있는 복합적인 환경적 영향을 확인하기 위해 복합 진동을 진행함으로써, 리튬 이차전지의 성능과 안전성을 파악하고자 하였다. 충전 상태를 0, 25, 75, 100%로 나누어서 충전 상태에 따른 복합진동의 영향도를 파악하였으며, 그 결과로 용량의 경우 SOC 75%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 큰 용량 감소를 보이며, SOC 25%, 0%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 적은 용량의 변화를 확인하였다.
제안 방법
- ) 양극 활물질을 가지는 배터리를 사용하여 복합 진동 시험을 수행하였으며, 진동과 온도의 복합적인 영향에 의해 배터리의 내부 전기적 특성의 변화를 분석 하였다. 복합 진동 시험 전, 배터리의 전기적 특성(방전 용량, 내부 저항, 개방회로전압(Open circuit voltage ;OCV))이 비슷한 배터리를 선별하였다. 이후, 충전 상태를 4가지로 분류하여 배터리의 충전 상태에 따른 복합진동 영향을 분석 하였다.
- 복합진동 시험 전과 후 배터리의 전기적 특성의 변화를 파악하기 위한 방전용량 실험과 SOC 5%별 HPPC(Hybrid pulse power characterization)실험을 진행하였다. 방전 용량 실험을 통해 비슷한 용량의 특성을 가지고 있는 배터리를 1차 선별하였다.
- 본 논문에서는 리튬이온 배터리의 종류인 고출력의 특성을 가지는 NCA(LiNiCoAlO2) 양극 활물질을 가지는 배터리, 고용량의 특성을 가지는 NMC(LiNiCoAlO2) 양극 활물질을 가지는 배터리를 사용하여 복합 진동 시험을 수행하였으며, 진동과 온도의 복합적인 영향에 의해 배터리의 내부 전기적 특성의 변화를 분석 하였다. 복합 진동 시험 전, 배터리의 전기적 특성(방전 용량, 내부 저항, 개방회로전압(Open circuit voltage ;OCV))이 비슷한 배터리를 선별하였다.
- 방전 용량 실험을 통해 비슷한 용량의 특성을 가지고 있는 배터리를 1차 선별하였다. 선별된 배터리들의 실제 용량을 기반으로 2차적으로 선별하기 위해 OCV-HPPC 실험을 진행 하여 SOC 5%마다의 개방회로전압과 내부 저항이 비슷한 배터리를 추출하였다. HPPC 실험은 각 SOC별 휴지기간에서 전압의 안정화가 되었을 때 진행 되며, 10초의 충전과 방전의 펄스 전류를 인가 시 발생하는 전압의 하강 및 상승에 의해 내부 저항을 추출할 수 있다.
- 복합 진동 시험 전, 배터리의 전기적 특성(방전 용량, 내부 저항, 개방회로전압(Open circuit voltage ;OCV))이 비슷한 배터리를 선별하였다. 이후, 충전 상태를 4가지로 분류하여 배터리의 충전 상태에 따른 복합진동 영향을 분석 하였다.
- 그림 2는 축별 복합진동 시험 세팅을 나타낸다. 진동 시험의 경우 Z, Y, X축 순서대로 진행 하였으며, 배터리의 운용 온도를 고려하여 최대 55℃에서 최소 -5℃로 온도가 변하는 사이클링을 수행하였다. 진동은 축 당 최소 3시간을 진행하고 각 축의 진동 실험이 끝날 때마다 온도가 25도에 안정될 때까지의 휴지 시간을 가진다.
대상 데이터
- 복합진동 시험 전과 후 배터리의 전기적 특성의 변화를 파악하기 위한 방전용량 실험과 SOC 5%별 HPPC(Hybrid pulse power characterization)실험을 진행하였다. 방전 용량 실험을 통해 비슷한 용량의 특성을 가지고 있는 배터리를 1차 선별하였다. 선별된 배터리들의 실제 용량을 기반으로 2차적으로 선별하기 위해 OCV-HPPC 실험을 진행 하여 SOC 5%마다의 개방회로전압과 내부 저항이 비슷한 배터리를 추출하였다.
이론/모형
- 전기자동차에서의 표준을 맞추기 위하여 국가표준인증의 전기자동차용 리튬이차전지 팩/시스템 평가(KS C ISO12405-1)를 참고하여 복합 진동 시험을 진행하였다.[1] 복합 진동은 진동시험 중에 온도를 변화시키는 배터리의 환경시험 중 하나이다.
성능/효과
- 실험의 결과로 NCA 계열 배터리가 NMC 계열 배터리보다 진동에 의한 용량의 영향이 큰 것으로 나타났다. NCA, NMC 계열의 두 배터리 모두에서 SOC 75%에서 가장 많은 용량 감소가 나타났으며, SOC 0%와 25%의 낮은 충전 상태에서 가장 적은 용량의 감소가 일어났다. 이는 복합진동에 대한 영향이 SOC 0%에서 작지만, SOC 0%를 계속 유지해야 용량의 감소가 적다는 것은 아니다.
- 그림 4는 NCA와 NMC 계열 배터리의 복합진동시험 전 후 용량을 나타낸다. NCA배터리의 경우 SOC 75%에서 초기 상태와 비교 시 -2.16%의 용량 감소로 용량의 감소가 가장 크며, SOC 0%에서 -0.86%의 용량 감소로 용량의 감소가 가장 작음을 확인하였다. 또한, NMC 배터리의 경우에서도 SOC 75%에서 실험 한경우가 –1.
- 충전 상태를 0, 25, 75, 100%로 나누어서 충전 상태에 따른 복합진동의 영향도를 파악하였으며, 그 결과로 용량의 경우 SOC 75%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 큰 용량 감소를 보이며, SOC 25%, 0%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 적은 용량의 변화를 확인하였다. 내부 저항의 경우 복합진동 시험 후의 저항이 시험 전에 비하여 충전 상태에 상관없이 모두 증가한 것을 볼 수 있었으며, 고출력 특성을 가지는 NCA 계열 배터리의 내부 저항이 고용량 특성을 가지는 NMC 계열 배터리 보다 내부 저항의 증가가 크게 나타났다. 이를 토대로, 배터리의 진동 및 온도의 복합적인 영향에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
- 또한, NMC 배터리의 경우에서도 SOC 75%에서 실험 한경우가 –1.12%로 가장 용량 손실이 많이 일어났으며 SOC 25%와 0%에서 각각 -0.26%, -0.27%의 용량 감소로 가장 적은 용량 손실이 일어났다.
- 위 결과로 NCA의 활물질을 가지는 고출력 배터리가 NMC의 활물질을 가지는 고용량 배터리보다 복합진동에 의한 용량의 노화가 크다는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 용량과는 다르게 충전 상태에 따른 내부 저항의 변화는 미미함을 확인하였다.
- 양극의 종류, 시험당시의 SOC에 상관없이 저항이 증가하는 것을 볼 수 있다. 시험 당시의 충전상태가 0%, 25%, 75%, 100% 순서대로 NCA 계열 배터리에서는 9.07%, 11.18%, 10.80%, 10.23% 저항이 증가 했으며, NMC 계열 배터리에서는 3.48%, 2.79%, 2.15%, 2.84% 저항이 증가한 것으로 나타났다. 위 결과로 NCA의 활물질을 가지는 고출력 배터리가 NMC의 활물질을 가지는 고용량 배터리보다 복합진동에 의한 용량의 노화가 크다는 것을 확인 할 수 있다.
- 27%의 용량 감소로 가장 적은 용량 손실이 일어났다. 실험의 결과로 NCA 계열 배터리가 NMC 계열 배터리보다 진동에 의한 용량의 영향이 큰 것으로 나타났다. NCA, NMC 계열의 두 배터리 모두에서 SOC 75%에서 가장 많은 용량 감소가 나타났으며, SOC 0%와 25%의 낮은 충전 상태에서 가장 적은 용량의 감소가 일어났다.
- 84% 저항이 증가한 것으로 나타났다. 위 결과로 NCA의 활물질을 가지는 고출력 배터리가 NMC의 활물질을 가지는 고용량 배터리보다 복합진동에 의한 용량의 노화가 크다는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 용량과는 다르게 충전 상태에 따른 내부 저항의 변화는 미미함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 다른 양극 물질을 가지는 NCA, NMC 계열 리튬이온 배터리를 사용하여 전기자동차 혹은 ESS같은 실제 어플리케이션에서 발생할 수 있는 복합적인 환경적 영향을 확인하기 위해 복합 진동을 진행함으로써, 리튬 이차전지의 성능과 안전성을 파악하고자 하였다. 충전 상태를 0, 25, 75, 100%로 나누어서 충전 상태에 따른 복합진동의 영향도를 파악하였으며, 그 결과로 용량의 경우 SOC 75%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 큰 용량 감소를 보이며, SOC 25%, 0%에서 복합진동 시험을 진행한 배터리가 가장 적은 용량의 변화를 확인하였다. 내부 저항의 경우 복합진동 시험 후의 저항이 시험 전에 비하여 충전 상태에 상관없이 모두 증가한 것을 볼 수 있었으며, 고출력 특성을 가지는 NCA 계열 배터리의 내부 저항이 고용량 특성을 가지는 NMC 계열 배터리 보다 내부 저항의 증가가 크게 나타났다.
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