추상적인
전기차와 플러그인 하이브리드 자동차의 등장으로 2차전지의 목표 수명은 최소 10년 이상으로, 향후 이러한 자동차의 대중화도 기대된다. 비휴대용 배터리 역시 긴 수명이 요구되므로 2차 배터리의 가속 시험이 매우 기대됩니다. 본 글에서는 반도체, 전자부품, 전자소자의 가속시험을 비교하고, 리튬이온 이차전지 가속시험의 현황과 문제점에 대해 자세히 설명합니다.
1. 소개
리튬이온 이차전지의 연구와 제조는 성능 향상에 있어서 급속한 진전을 이루었습니다. 리튬이온 이차전지는 안전성 확보가 가장 중요한 문제이지만, 전기자동차와 플러그인 하이브리드 자동차(성장하고 기대되는 시장)에 사용되는 리튬이온 이차전지의 목표 수명은 10~15년이다. 비휴대용 배터리의 경우 최소 6년의 사용 수명이 필요합니다. 이러한 요구로 인해 향후 몇 년 동안 가속화된 테스트에 대한 기대가 높아질 것입니다. 이에 반해, 전자부품 및 소자의 가속시험 분야에서는 반도체/솔더 접합, 인쇄회로기판 절연 등 매개변수의 열화 메커니즘과 가속 요인을 해명하는 것이 수명 예측 기술의 발전에 도움이 될 수 있습니다. 2차전지는 전자부품이나 기기와 달리 열화·수명예측, 가속시험 등을 위한 충분한 사례와 시스템 이론이 부족하다. 본 논문에서는 리튬이온 이차전지의 가속시험을 반도체, 전자부품, 전자소자의 가속시험과 비교하여 현황과 문제점을 설명한다.
2. 품질 저하의 정의
JIS C 8711(휴대용 기기용 리튬 이차 전지에 적용)은 이차 전지 수명 평가의 예를 제공하며, 여기서 전지 수명 종료는 충전 및 방전 주기 동안 용량이 초기 용량의 60%로 떨어지는 시점으로 정의됩니다. 정해진 방법으로 충전한 후 일정한 온도에서 보관하는 배터리의 열화도 단일 셀의 경우 70%, 배터리 팩의 경우 60%의 값으로 정의됩니다. 제조업체의 성능 저하 평가 표준은 일반적으로 80%와 같은 값을 사용하는 등 이러한 값보다 더 엄격합니다. 장기간 보관 시 배터리의 열화율은 충전상태(SOC)에 비례하기 때문에 2차전지는 사용 환경에 맞게 설계되어 낮은 SOC를 유지하고 장기간 사용이 가능합니다. 배터리의 성능 저하 값이 설정된 기준을 충족하는 한 정상적으로 작동하는 것으로 간주됩니다. 배터리는 소모품이기 때문에 용량이 줄어들 수밖에 없다는 것이 일반적인 견해입니다. 그림 1은 리튬 이온 2차 전지의 방전 곡선 예시를 보여줍니다.
3. 분해 요인 및 메커니즘
리튬이온 이차전지의 각 구성요소에는 여러 가지 열화 요인이 있어 단순하게 분류하기는 어렵습니다. 이러한 어려움이 발생할 수 있는 이유는 내부 상태에 영향을 주지 않고 배터리를 분해하는 것이 어렵고 특정 열화 메커니즘과 배터리 수명 간의 관계가 항상 명확하지 않기 때문에 결함 분석 사례가 적기 때문일 수 있습니다. 대조적으로, 전자 부품의 상황은 상당히 다릅니다. 전자부품의 고장 분석 사례는 다양하며, 분석 기술의 발전에 따라 신뢰성 기술, 수명 예측 기술도 개발되고 있습니다.
그림 2는 리튬이온 이차전지의 구조를 보여준다. 보고에 따르면, 전극 표면의 분리막 성장으로 인한 내부 저항 증가는 리튬이온 이차전지의 대표적인 열화 요인으로 알려져 있다. 다른 가능한 현상으로는 활성 물질의 결정 구조 변화와 전극 재료 또는 집전체 경계면의 박리 등이 있습니다. 전해질이나 분리막에 의해 일부 열화 현상이 발생하기 때문에 특성 평가나 재료 구조를 통해 이러한 원인을 추정하는 것이 필요합니다. 이러한 유형의 열화는 충전 방전 주기 동안 공존할 수 있습니다. 내부저항의 증가를 측정하는 방법에는 직류저항법(DC-IR)과 교류임피던스법이 있다. 결함 분석 사례의 제한으로 인해 열화 현상과 열화 지점 간의 인과 관계는 여전히 불분명합니다. 그러나 AC 임피던스 방법은 앞서 언급한 요인과 관련된 내부 배터리 현상을 측정하는 데 유망한 기술입니다.
4. 리튬이온 이차전지 사용 환경이 전지 수명에 미치는 영향
보관 온도 영향:보관 온도는 리튬이온 이차전지의 중요한 열화 요인이다. 실내 사용 환경 온도는 최대 약 40℃에 이를 것으로 예상되는 반면, 실외나 모바일 기기의 배터리는 더욱 가혹한 환경에 직면하게 됩니다. 현재 리튬이온 2차전지의 장기적 특성은 40-60℃에서 급격히 저하됩니다. 따라서 JIS 8711, IEC62660-1 등의 시험규격(전기자동차 단일전지의 성능시험에 사용) 장기 수명 테스트 온도는 40-45°C 사이여야 한다고 규정합니다. 배터리 수명을 연장하기 위해 차량 배터리는 배터리 온도를 45°C 이하로 유지하는 냉각 메커니즘으로 설계되었습니다. 차량 배터리는 여전히 온도를 유지해야 합니다. 낮은 기온에 적응하다 -20 ℃ 이하에서는 일반적으로 2차 전지의 내부 저항이 증가하고 이 온도에서 용량이 크게 감소합니다. 하지만 현재는 저온 특성이 우수한 배터리를 개발하고 있습니다.
충전 및 방전 속도의 영향:차량 배터리는 사용 중에 충전 및 방전 속도가 다르며, 충전 및 방전 속도의 차이는 성능 저하 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. IEC 62660-1는 사용 중 차량 배터리의 충전 및 방전 속도 모드를 지정합니다. 이에 비해 가전용 배터리는 지속적으로 충전된 상태로 사용되는 경우가 많아, 높은 SOC를 유지하는 것 역시 성능 저하를 일으키는 요인이다. 시장 상황이 배터리 수명에 큰 영향을 미치기 때문에 이러한 시장 환경을 예측할 수 있는 가속 테스트 조건을 연구하는 것이 필요합니다.
5. 2차 전지 수명 테스트 및 가속 모델
테스트 특성 및 가속 모델 개요:2차 배터리 수명 테스트는 주로 저장 수명(캘린더 수명)과 충전 방전 주기 수명이라는 두 가지 기본 특성에 중점을 둡니다. 저장 수명은 온도 관련 성능 저하와 관련이 있습니다. 가속도 모델로는 Arrhenius 모델이 사용된다. 전극 표면의 마스크 성장으로 인한 내부 저항의 증가에 의해 저장 수명이 결정되는 것으로 여겨진다. 필름 성장은 화학 반응에 의해 발생합니다. 가속 시험 온도는 사용 온도보다 높으나, 리튬이온 이차전지의 최대 온도는 일반적으로 55-60℃로 제한되며, 그 이상에서는 다양한 화학 반응의 진행으로 인해 가속 효과가 발생하지 않습니다. . 선형 노화 열화에 기반한 외삽 방법은 장기 수명 예측(예: 노화 시간의 제곱근과 선형 관계가 있는 경우)에 사용됩니다. 그러나 실제 사용에서는 충전 방전 주기 수명을 고려해야 하며, Arrhenius 모델만으로는 저장 수명과 충전 방전 주기 수명의 비율이 9:1인 경우, 보관 온도는 상당한 영향을 미칩니다. 전자부품에는 아레니우스(Arrhenius) 모델 외에도 다양한 가속모델이 있으며, 열화요인에 따라 그 용도와 조합이 결정된다. 가속도 모델을 생성할 때 습도, 반복적인 기계적 응력 등 성능 저하 요인을 식별하는 것이 중요합니다.
가속 모델의 한계와 배터리 수명 예측의 과제:수명 예측을 위해 가속도 모델을 사용하는 경우 주요 요인으로 요인이 단순화되어 계산 결과에 큰 오류가 발생합니다. 전자 부품에서는 안전 마진 평가로 삼중 계산 결과를 사용하는 경우가 있습니다. 그러나 배터리 제품의 성능은 요구되는 배터리 수명 마진에 비해 상대적으로 작아 정확한 예측이 필요하다. 현재 10-년의 사용 수명을 결정하는 예측 방법을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 하지만 개발자들이 수명 성능 마진이 시장 수요를 초과하도록 노력하고 있기 때문에 배터리 성능은 더욱 향상될 것으로 예상됩니다.
6. 요약
2차전지 가속시험이 어려운 이유
전자 부품이나 장치에 대한 유사한 테스트와 비교할 때, 2차 전지의 장기 가속 테스트는 현재 주로 다음 요소로 인해 더 어렵습니다.
- 배터리 수명 예측은 일반적으로 더 가혹한 환경을 시뮬레이션하거나 전자 부품 및 장치와 같은 안전 요소를 곱하는 것을 기반으로 하지 않습니다. 이는 아마도 시장 수요에 비해 현재 배터리 수명 성능에 대한 여유가 충분하지 않기 때문일 수 있습니다.
- 열화현상과 열화요인 사이의 인과관계가 아직 불분명한 경우가 많은데, 이는 열화배터리의 고장분석이 어렵고 사례수가 제한적이기 때문일 수 있다.
- 앞서 언급한 배터리의 빠른 개발 속도, 재료 구조의 변화, 결함 분석의 어려움으로 인해 시장 열화 데이터 간의 상관 관계에 대한 검증 작업이 미흡했습니다.