리튬이온 배터리의 사이클에 따른 열화 현상
리튬이온 배터리(Li-ion)는 충전과 방전 과정에서 음극에서 양극으로 이동하는 리튬 이온을 통해 에너지를 저장하고 방출하는 이차(재충전 가능) 배터리입니다. 양극은 리튬 화합물로 이루어져 있으며, 음극은 주로 다공성 리튬화 그라파이트로 만들어집니다. 전해질은 액체, 고체, 또는 폴리머일 수 있으며, 분리막은 리튬 이온의 이동을 가능하게 하면서 배터리의 단락과 열적 폭주를 막습니다. 리튬이온 배터리의 화학적 구성, 성능, 비용 및 안전 특성은 종류에 따라 다릅니다.
핸드폰과 같은 소형 전자기기에서는 고에너지 밀도를 제공하는 리튬 폴리머 배터리(폴리머 젤 전해질, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 양극 재료 및 그라파이트 음극)가 주로 사용됩니다. 리튬이온 배터리는 일반적으로 높은 에너지 밀도, 메모리 효과가 없으며, 자체 방전이 낮습니다. 가장 일반적인 배터리 셀 형태는 18650 셀로, 많은 노트북 컴퓨터, 무선 전동 공구, 특정 전기 자동차, 전기 킥보드, 대부분의 전기 자전거, 휴대용 파워뱅크, LED 손전등 등에 사용됩니다. 이 셀의 명목 전압은 3.7V입니다.
사이클에 따른 리튬이온 배터리의 열화
재충전 가능한 배터리는 충전-방전 사이클마다 일정 정도의 열화가 발생합니다. 열화는 주로 전해질이 전극에서 이탈하거나 활성 물질이 전극에서 떨어져 나가는 경우에 발생합니다. 제조업체의 데이터시트는 일반적으로 “사이클 수명”을 배터리 용량의 80%에 도달하기까지의 사이클 수로 명시합니다. 위험이나 조기 용량 열화를 피하기 위해 제조업체의 권장 사항을 따르는 것이 필요합니다.
리튬이온 배터리의 열화 및 용량 감소는 일반적으로 고체 전해질 계면(SEI)의 성장으로 인해 발생합니다. 이 계면은 전극과 전해질 간의 반응으로 생성되며, 이 반응으로 형성된 필름은 리튬 이온이 전극과 반응하는 것을 방해합니다. 이 필름이 두꺼워질수록 셀의 열화가 진행됩니다.
열화에 영향을 미치는 요소들
온도: 배터리의 열화는 온도에 크게 의존합니다. 실온에서의 열화는 최소하지만, 높거나 낮은 온도에서 저장되거나 사용될 때 열화가 증가합니다. 높은 전류에서 충전 또는 방전 시 배터리는 열을 발생시키며, 충전 중 높은 온도는 배터리의 열화를 유발할 수 있습니다. 45°C 이상에서 충전하면 배터리 성능이 저하됩니다. 전기 자동차에서 사용되는 대형 배터리 팩은 일반적으로 온도를 15°C(59°F)에서 35°C(95°F) 사이로 유지하는 열 관리 시스템을 갖추고 있습니다.
C-레이트: 높은 C-레이트는 더 많은 열을 발생시키고 셀의 온도를 상승시켜 고온에서의 열화 메커니즘을 유발합니다. C-레이트는 배터리의 사용 가능한 수명과 용량을 감소시킵니다.
방전 깊이(DOD): 리튬이온 배터리의 사이클 수명은 DOD에 크게 의존합니다. 리튬 이온과 활성 전극 재료의 손실은 더 큰 DOD 사이클에서 더 높습니다. 높은 DOD에서는 추가적인 열화 메커니즘이 발생하여 양극 재료의 분해 및 용해, 용량 감소가 발생할 수 있습니다.
실제 응용에서 리튬이온 셀은 깊은 DOD, 높은 C-레이트, 높거나 낮은 온도, 높은 SOC에서 운용되는 등의 특정 스트레스 요인으로 인해 가속화된 열화를 경험합니다.
