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LiFePO4 배터리 양극 조성이 배터리 성능에 미치는 영향 모델링

Modeling the effect of the cathode composition of LiFePO4 battery on the battery performance

  • 류승민 (Seungmin Ryu, 일반대학원 에너지시스템학부)

초록/요약

풍력 발전이나 태양광 발전 같은 신재생 에너지가 화석연료 고갈과 지구 온난화 문제로 인해 크게 각광을 받고 있다. 하지만 신재생 에너지는 일정하지 않은 전력생산과 낮은 에너지 밀도로 인해 전력효율이 떨어진다. 따라서 전력효율 극대화를 위해 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)의 개발이 필요하다. 에너지 저장 시스템은 이차전지를 이용하여 전력이 남을 때 전기에너지를 저장하거나 필요할 때 저장한 전기에너지를 사용하도록 하는 기술을 의미한다. 리튬 이온 배터리는 다른 이차전지들에 비해 높은 에너지 저장밀도와 긴 수명 등의 장점으로 에너지 저장 시스템의 주요한 에너지원의 후보로 여겨지고 있다. 리튬 이온 배터리 중 LiFePO4배터리는 낮은 비용, 비 독성, 그리고 열적 안정성으로 인해 에너지 저장 시스템에 적합한 후보로 주목을 받고 있다. 하지만 LiFePO4는 그 구조적 특징 때문에 낮은 전도성을 가지고 있어서 이를 개선시키기 위해 도전재를 첨가한다. 그러나 너무 높은 도전재의 비율은 총용량을 감소시키기 때문에 LiFePO4양극의 활물질과 도전재, 그리고 바인더의 비율은 중요하며 에너지 저장 시스템에 맞는 최적화된 양극조성이 필요하다. 또한 에너지 저장 시스템용 배터리는 그 용도로 인해 충방전 사이클 수명과 저장수명이 중요하다. 모델링을 통해 그 수명을 예측하여 에너지 저장 시스템을 더욱 효율적으로 관리할 수 있다. 본 연구에서는 리튬이온배터리의 양극 활물질이 LiFePO4,인 배터리의 양극조성에 따른 성능을 실험한 결과와 모델링 결과를 비교하였다. LiFePO4 배터리의 양극을 구성하고 있는 양극 활물질, 도전재 그리고 바인더의 조성비 변화에 따른 C-rate별 실험을 수행하였으며 충방전 사이클 및 저장 온도조건에 의한 용량감소 실험을 하였다. 또한 LiFePO4 배터리 양극 조성에 따른 방전 거동과 충방전 수명 및 저장수명을 예측할 수 있는 모델링 프로그램을 개발하였다. 모델링 결과와 실험결과의 비교를 통한 프로그램의 타당성 및 정확성을 검증하였다. 모델링 결과에 근거하여 LiFePO4 배터리 양극 조성이 방전 거동에 미치는 영향과 충방전 사이클 및 저장 온도조건이 수명에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 그리고 모델링 결과에 근거하여 에너지 저장 시스템용 LiFePO4 배터리의 개발과 관리에 활용할 수 있다.

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초록/요약

Energy storage system has the possibility in the long run that can replace the existing energy paradigm based on fossil fuels to new paradigm and worldwide renewable energy policy is required the development of the energy storage system (ESS) for maximizing electric power efficiency. The renewable energy from the sources such as wind and solar has been of great interest, but the power from renewable sources is intermittent. Electrical energy storage is an effective way to smooth out the intermittency of the renewable energy and to make it dispatchable. The LiFePO4 battery is one of the candidates for the energy storage system (ESS) of renewable energy due to its low cost, non-toxicity and high abundance of iron among others. The cathode of a LiFePO4 battery consists of active material, conductive additive and binder. The composition of LiFePO4 cathode should be optimized in order to make the LiFePO4 battery suitable for ESS applications. In this work, a one-dimensional modeling is performed to investigate the effect of cathode composition on the discharge behavior and the cycle- and the calendar-life of a LiFePO4 cathode, a graphite anode and a plasticized electrolyte. The modeling of the discharge behaviors at various compositions of the LiFePO4 cathode is validated by the comparison between experimental and modeling discharge curves at various discharge rates. The modeling of the capacity fade due to cycles and storage conditions of the LiFePO4 cathode is validated by the comparison between experimental and modeling capacities due to cycles and storage conditions.

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목차

차례 (Table of Contents)



표 차 례 (List of Tables) iii
그림차례 (List of Figures) iv




제1장. 서론 1
1. 에너지 저장 시스템용 배터리 1
2. 리튬 이온 배터리 2
제2장. LiFePO4 배터리의 양극조성에 따른 방전 거동 모델링 4
1. LiFePO4 배터리의 특징 4
1.1 연구 동향 및 목적 5
2. LiFePO4 배터리 방전 거동 예측 모델링의 지배방정식 6
3. LiFePO4 배터리의 양극 조성에 따른 방전 거동 실험방법 10
4. LiFePO4 배터리의 양극 조성별 방전 거동 실험결과 및 모델링 결과 및 고찰 14
4.1 Case별 양극 질량조성의 방전 거동 실험결과 및 모델링 결과 14
4.2 Case별 양극 질량조성 비율외의 다른 양극 질량조성 모델링 27
제3장. LiFePO4 배터리의 충방전 사이클 및 저장조건에 따른 용량감소 모델링 36
1. 리튬이온배터리의 용량감소 현상 36
1.1 리튬이온배터리의 충방전 사이클에 의한 용량감소 현상 36
1.2 리튬이온배터리의 저장조건에 따른 용량감소 현상 37
1.3 연구동향 및 목적 39
2. LiFePO4 배터리의 충방전 사이클 및 저장조건에 따른 용량감소 모델링의 지배방정식 40
2.1 LiFePO4 배터리의 충방전 사이클에 의한 용량감소 모델링 40
2.2 LiFePO4 배터리의 저장조건에 의한 용량감소 모델링 40
3. LiFePO4 배터리의 용량감소 실험방법 42
3.1 LiFePO4 배터리의 충방전 사이클에 의한 용량감소 실험방법 42
3.2 LiFePO4 배터리의 저장조건에 따른 용량감소 실험방법 44
4. LiFePO4 배터리의 용량감소 실험결과 및 모델링 결과 46
4.1 LiFePO4 배터리의 충방전 사이클에 의한 용량감소 실험결과 및 모델링 결과 46
4.2 LiFePO4 배터리의 저장조건에 따른 용량감소 실험결과 및 모델링 결과 57
제4장. 결론 63
참고문헌 68
Abstract 71

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