리튬이온 배터리 저온 - lityum-ion baeteoli jeoon

저온에서 성능 저하되는 배터리, 원인 실마리 찾았다

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저온에서 성능 저하되는 배터리, 원인 실마리 찾았다
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인용현황

조민행 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단장이 리튬이온배터리 전해액의 구조를 밝혔다. IBS 제공

리튬이온배터리 내부 용매 구조가 기존에 알려진 정설과 다르다는 사실이 밝혀졌다. 저온에서 배터리 성능이 저하되는 문제를 해결할 단서로 활용될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀이 저온에서 리튬이온배터리 전해액의 용매 구조를 상세히 밝혀 국제학술지 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스' 8월 18일자에 발표했다고 13일 밝혔다.

리튬이온배터리는 크게 양극과 음극, 분리막, 전해액으로 구성된다. 음극에서 리튬원자는 리튬이온과 전자로 분리되고 전자는 배선을 따라 이동하며 전기를 공급한다. 이때 리튬이온은 전해액을 통해 양극으로 이동하고 양극에서 다시 전자와 결합한다.

만약 배터리의 온도가 떨어지면 리튬이온이 전해액에서 전극으로 이동하는 '탈용매화 과정'에서 배터리 내부 저항이 증가하는데 이는 추운날씨에 배터리가 빨리 닳는 원인으로 지목돼 왔다.

연구팀은 낮은 온도에서 탈용매화 과정을 상세히 분석하기 위해 저온 장치가 장착된 푸리에 적외선 분광기(FTIR)를 사용해 상온(26.85도)부터 영하 33.15도까지 온도를 변화시키며 리튬이온 용매 구조와 이온화 과정을 관찰했다. 그 결과 리튬이온 용매 구조가 정사면체로 이뤄졌다는 기존의 정설과 다르다는 사실을 발견했다.

지금까지 리튬이온의 용매 구조는 리튬이온을 중심으로 4개의 분자가 있는 4배위 정사면체 구조를 이룬다고 알려져 있었다. 연구팀의 관찰 결과 리튬 이온은 2배위, 3배위, 5배위 등 다양한 구조를 가지고 있었다.

리튬이온 용매 구조를 명확히 파악하는 것은 탈용매화 과정을 분자 수준에서 이해하는 데 필요할뿐 아니라 향후 저온에서의 배터리 성능 저하 문제를 해결하기 위한 단서가 된다.

조 단장은 "이번 연구는 리튬이온 용매 구조에 대한 지배적인 통념이 실제와 다르다는 것을 보여준 중요한 연구"라며 "저온에서도 성능이 저하되지 않는 새로운 배터리를 설계하기 위한 중요한 단서를 제시했다"고 말했다. 연구팀은 후속 연구로 전해액에 첨가자가 있는 상황에서 리튬이온 용매 구조를 면밀히 파악할 계획이다.

리튬 이온 배터리의 저온 성능 소개, 리튬 이온 배터리의 저온 성능을 제한하는 요인. 리튬 이온 배터리의 상용화 이후 장수명, 고용량, 메모리 효과 없음 등의 장점으로 널리 사용되었습니다. 과거에는 리튬 이온 배터리의 수명과 안전성에 더 많은 관심을 기울였으며 응용 분야가 계속 확장됨에 따라 리튬 이온 배터리의 저온 성능 저하로 인한 제약이 점점 더 커지고 있습니다. 분명한.

전기 자동차 및 군용 응용 분야에서 리튬 이온 배터리가 급속하게 발전함에 따라 저온 성능이 특수 저온 날씨 또는 극한 환경에 적응할 수 없다는 단점이 점점 더 분명해지고 있습니다. 저온 조건에서는 리튬 이온 배터리의 유효 방전 용량과 유효 방전 에너지가 크게 감소함과 동시에 -10℃ 미만의 환경에서는 충전이 거의 불가능하여 리튬 이온 적용을 심각하게 제한합니다. 배터리.

리튬 이온 배터리 저온 성능 도입

모든 환경적 요인 중 온도는 배터리의 충방전 성능에 가장 큰 영향을 미칩니다. 전극/전해질 계면에서 리튬 배터리의 전기화학적 반응은 주변 온도와 관련이 있습니다. 전해질의 점도가 낮아지고 전도도가 낮아지며 저온에서 활물질의 활성도 저하되어 전해질의 농도차가 커지고 분극이 강화되어 충전이 조기에 종료된다. 더 중요한 것은 탄소 음극에서 리튬 이온의 확산이 느려지고 온도가 떨어지고 전극의 반응 속도도 떨어집니다.

리튬 이온 배터리의 용량은 급격히 감소하고 배터리를 저온에서 작동하면 극성이 향상됩니다. 낮은 온도에서는 음극에 리튬 이온을 매립하기 어렵고 음극에서 제거하기가 상대적으로 쉽기 때문에 용량 감소를 초래하는 반면 배터리의 방전 분극 변화는 감소와 관련이 있습니다. 낮은 온도에서 전해질의 전도도, 전극 내 리튬 이온의 확산 속도 감소 및 충전 중 음극 표면에 리튬 금속 석출로 인한 임피던스 증가. 방전 분극의 변화는 저온에서 전해질 전도도의 감소, 전극 내 리튬 이온의 확산 속도 감소 및 음극 표면에 새로운 SEI 피막 형성으로 인한 임피던스 증가와 관련이 있습니다. 충전 중.

리튬 이온 배터리는 충전하거나 저온 환경에서 사용하기 전에 예열해야 합니다. 전기차용 배터리 관리 시스템은 크게 외부 난방과 내부 난방의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이러한 가열 방법은 일반적으로 배터리 팩에 있거나 열 순환 매체의 용기에 들어 있습니다. 내부 가열 방식은 AC 전류에 의해 배터리&의 내부 전기화학물질이 여기되어 배터리를 가열하여 배터리 자체에서 열을 발생시킵니다.

리튬 이온 배터리의 저온 성능을 제한하는 요소

1, 양극 재료의 3차원 구조는 리튬 이온의 확산 속도를 제한하고 다른 양극 재료는 다른 3차원 구조를 가지며 그 효과는 특히 저온에서 분명합니다.

2, 저온 전해질 및 양극, 가난한 사이의 격막 호환성; 전해질 점도가 증가하고 심지어 부분적으로 응고되어 이온 전도성이 낮습니다.

도 3에 도시된 바와 같이, 활물질 내부의 리튬 이온 확산 계수는 저온에서 감소하고 전하 전달 임피던스가 크게 증가한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 리튬 이온 전지의 음극의 SEI 막은 저온에서 두꺼워지고, SEI 막 임피던스가 증가하여 SEI 막에서 리튬 이온의 전도율이 낮아진다.

5, 저온 양극 리튬 석출이 심각하고 석출 된 리튬 금속이 전해질과 반응하고 생성물 석출로 인해 고체 전해질 계면의 두께가 증가합니다.

저온에서 리튬 배터리의 제한된 사용에 직면하여 대응 전략은 충전 예열이지만 리튬 배터리의 저온 성능을 향상시키기 위한 임시방편은 상당한 효과가 있습니다. 전고체 리튬이온 전지, 특히 전고체 박막 리튬이온 전지는 기존 리튬이온 전지에 비해 저전력에서 사용되는 전지의 용량 감퇴 및 사이클 안전성 문제를 완전히 해결할 것으로 기대된다. 온도.

배터리에 대한 요구 사항이 있는 경우 언제든지 에 문의하십시오.

1전남대학교

2광주과학기술원

3로케트전기㈜ 기술연구소

4성화대학 안경광학과

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이성분계 전해질을 이용한 리튬 이온 2차 전지는 실온에서 우수한 에너지 밀도와 싸이클 성능을 갖 는다. 그러나 이성분계 전해질들은 저온에서 급격한 용량 손실과 싸이클 수명을 저하시키는 단점을 안고 있다. 따라서 본 연구에서는 저온에서의 방전용량과 싸이클 수명을 향상시키기 위하여 EC와 DEC 혼합용매에 EA 를 첨가하여 시간대 전압법, 이온 전도도 측정법, 순환 전압-전류법, 임피던스법, 그리고 선형 주사 전위법을 통하여 저온 특성에 대한 실험을 수행하였다. 1M LiPF6/EC:DEC:EA(4:3:3, 부피비) 삼성분계 전해질은 충전하 는 동안 탄소 전극표면에 완전한 피막을 형성시켜 리튬과의 반응을 억제 시키며, 제 3의 용매로 선택된 EA의 낮은 녹는점을 갖는 물성 때문에 저온에서 전해질의 이온 전도성 저하를 막아준다. 이 시스템을 이용한 전기 화학적 실험결과 상온뿐만 아니라 저온에서도 우수한 방전용량을 나타냄을 관찰할 수 있었고, 첨가된 ethyl acetate는 리튬 이온 전지의 저온특성을 향상시킬 수 있는 좋은 첨가제 임을 알수 있었다.

The commercialized lithium ion secondary batteries using binary mixtures as co-solvent of electrolyte ha O an excellent energy density and cycle performance at room temperature. However, one of disadvantages related to the use of the binary mixtures as co-solvents of electrolyte was capacity fade and cycle life loss of the battery at low temperature. The effect of adding ethyl acetate as 3rd solvent having a low melting point and low viscosity to enhanced discharge capacity and cycle life were examined at the low temperature. Studies on low-temperature properties of electrolyte were investigated by using chronpotentiometry, ionic conductivity, cyclic voltammetry, impedance spectroscopy, and linear sweep voltammetry. In 1M LiPF6/EC:DEC:EA(4:3:3, v/v) electrolyte added EA as 3rd solvent, the reaction with Li by forming the perfect film on the surface of the carbon anode during charging was restrained and the reduction of ionic conductivity due to low melting point at the low temperature was prevented. Therefore, the electrochemical experiments using this system proved that the electrolyte showed the excellent discharge capacity regardless of the temperature and ethyl acetate was good additives to improve the properties of low temperature in Li ion battery.