전기 자동차(EV) 시대로 전환됨에 따라 리튬 이온 배터리(LIB)의 수명과 안전성에 대해 높은 기준을 요구하고 있습니다. 그 중에서도 LIB의 상태 진단은 EV 시대를 향한 중요한 기술입니다. 배터리 제조 직후부터 모듈 및 팩 조립, EV 운행 중, 수명이 다한 후 배터리 재사용 단계까지 배터리의 탄생부터 폐기까지 모든 단계에서 셀 진단 및 관리는 항상 필요합니다. 그래서 이 학위논문에서는 배터리 진단 및 관리를 위해 배터리 내부의 화학적 이해를 바탕으로 수치화 가능한 화학적 인자를 탐색하여 열화 진단 연구를 수행했습니다.
첫 번째로, 제조 직후 단계에서 LIB의 셀 검사 및 분류는 높은 수준의 안전성과 신뢰성이 요구되는 전기자동차 시대로의 전환을 위한 필수 단계입니다. EV는 수백 개에서 수천 개의 배터리 셀을 포함하기 때문에 수명과 안전성에 대한 높은 기준을 맞추기 위해서는 탑재 전 불량 셀을 선별하는 것이 중요합니다. 따라서 제조 직후 단계에서 셀 내부 상태 진단 및 셀의 성능 등급을 분류하는 것이 중요합니다. 이 논문에서는 셀 검사 및 분류를 위한 핵심 도구로써 전기화학적으로 측정 가능한 균일도 지표와 미분 전압 곡선의 피크 인자를 소개했습니다. 구체적으로, 균일도 지표는 전극의 배열과 같은 셀 내부의 '균일도' 상태와 관련이 있으며, 이는 흑연 음극 내의 리튬 이온 분포에 영향을 미칩니다. 중요한 것은 불균일한 셀이 낮은 사이클 성능을 나타내는 경향이 있어 초기 사이클에서 균일도 지표를 통해 셀의 수명을 예측하고 모듈 조립을 위한 셀을 분류할 수 있다는 것입니다. 실제로, 균일도 지표에 의해 분류된 비슷한 성능의 셀을 포함하는 모듈은 성능 편차가 큰 셀을 포함한 모듈보다 사이클 성능이 향상되었습니다. 균일도 지표와 같은 화학적 인자는 제조 직후 단계에서 배터리를 검사하고 선별함으로써 신뢰성이 높고 안전한 모듈을 보장하는데 기여할 수 있습니다.
두 번째로, EV 작동 중에 배터리 셀 열화에 대한 실시간 비파괴 모니터링이 매우 중요합니다. 불행하게도 EV용으로 선호되는 LIB 양극인 high-Ni 층상 산화물은 사이클 동안 미세 균열 형성으로 인해 성능 저하를 야기합니다. 이러한 양극에서 microcracks의 생성을 실시간 모니터링하는 분석 도구로 entropymetry라는 방법을 사용했습니다. 층상 양극의 엔트로피 변화는 격자 구성과 관련이 있으며 이러한 microcracks의 진화와 관련된 구조적 불균일도를 반영합니다. 구조적 불균일도 변화는 실시간 X-선 회절 곡선의 피크와의 상관관계를 통해 알 수 있었고, 이는 또한 엔트로피 변화와 매칭되어 엔트로피 변화가 구조적 변화를 반영함을 알 수 있었습니다. 여기서 비파괴 진단 도구로 제안된 entropymetry는 EV용 LIB의 안전한 작동과 높은 신뢰성에 크게 기여할 수 있습니다.
요약하자면 배터리 내부의 상태를 반영하는 화학적 인자인 1) 흑연 음극에 대한 균일도 지표와 2) high-Ni 양극에 대한 entropymetry를 차용하여 열화 진단에 활용했습니다. 두 지표 모두 셀 내부의 화학 현상에 기인하는, 미분 전압 곡선의 피크 높이와 엔트로피 변화 프로파일의 피크 높이로 정량화되었습니다. LIB의 안전성과 신뢰성 향상이라는 목표를 위해 셀 내부를 검사하고 관리하는 데 유용한 도구로써 화학적 인자를 탐색하고 실증하였습니다.