리튬이온 이차전지의 화성조건에 따른 전기화학적 특성 연구
Improvement of Electrochemical Performance for Lithium-Ion Secondary Battery through Pre-charging Process Condition
- 주제(키워드) "리튬이온 이차전지" , "화성공정" , "SEI layer"
- 발행기관 동신대학교 일반대학원
- 지도교수 심재현
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템공학과
- 세부분야 해당없음
- 원문페이지 105
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/dsu/200000806112
- UCI I804:46001-200000806112
- 본문언어 한국어
- 저작권 동신대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
리튬이온 이차전지의 화성조건에 따른 전기화학적 특성 연구 김 우 진 동신대학교 대학원 에너지시스템공학과 (지도교수 심재현) 리튬이온 이차전지는 첫 충전 과정에서 전해질 내의 첨가제와 활물질이 화학적 부반응을 통하여 활물질 표면에 얇은 고체막을 형성하면 이를 표면 피막(solid electrolyte interface(SEI) layer)라고 한다. SEI layer는 리튬이온 이차전지의 전기화학적 특성을 부여하는 초기 화성공정 시 형성된다. 따라서 리튬이온 이차전지는 SEI layer를 형성하는 공정이라고 해도 과언이 아니다. 화성공정을 통하여 리튬이온 이차전지는 균일하고 견고한 SEI layer를 형성하게 된다. 견고하지 못한 SEI layer는 쉽게 분해되어 지속적인 분해반응에 의해 가스 생성 및 전해액 고갈로 인하여 수명 저하를 일으키며, 특히 음극 표면은 전해액과의 직접 반응에 의한 손상을 입게 된다. 이러한 원인으로 인하여 리튬이온 이동성 저하와 함께 용량 손실로 이어진다. 이동성 저하로 인한 리튬 이온은 음극 표면 위에 리튬 덴드라이트를 형성시켜 전지의 안전성 문제를 야기시킨다. 따라서 화성공정을 통한 균일한 두께와 견고한 SEI layer의 형성은 리튬이온 이차전지의 수명과 안전성을 높이고 성능을 개선시킬 수 있다. 본 연구에서는 균일하고 견고한 SEI layer를 형성시키기 위한 공정 설계를 위하여 80 mAh 급 double layer pouch (DLP) cell 과 2 Ah 급 2170 cylindrical cell을 제작, 분석 및 평가를 실시하였다. State of charge(SOC, %)에 따른 충전 조건과 25 ℃, 45 ℃, 60 ℃에 따른 온도별 formation을 실시하였다. 그리고 형성된 SEI layer에 대하여 단계별 충·방전 조건에 따른 안정화 및 견고화 과정을 실시하였다. 화성 조건에 따라 제조된 전지의 전기화학적 특성은 화학적·형상학적 분석 방법과 연계하여 원인계를 도출하였다. SOC가 높은 조건에서의 화성공정은 초기에 LiOH 및 많은 양 LiF는 리튬염을 소모시켰다. 이러한 현상은 전기화학적 측면에서는 전지의 출력 저하 특성을 보여주었으며, 상온(25 ℃) 수명 특성보다는 고온 (45 ℃) 수명 특성에서 낮은 수명 유지율을 보여주었다.
more초록/요약
Improvement of Electrochemical Performance for Lithium-Ion Secondary Battery through Pre-charging Process Conditions Woo-Jin Kim Department of Energy System engineering Graduate School, Dongshin University (Supervised by Professor Jae-Hyun Shim) During the first charging process, the additives in the active material and electrolyte undergo a chemical side reaction to form a thin solid film on the surface of the active material, which is called a solid electrolyte interface (SEI) layer. The SEI layer is formed during the initial formation process that imparts electrochemical properties of lithium ion secondary batteries. Therefore, it is not an exaggeration to say that lithium-ion secondary batteries are processes that form SEI layer. Through the formation process, the lithium-ion secondary battery forms a uniform and solid SEI layer. A non-stable SEI layer is easily decomposed and causes a degradation in life due to gas generation and depletion of an electrolyte by a continuous decomposition reaction, and particularly, an anode surface is damaged by a direct reaction with an electrolyte. This cause leads to capacity loss along with a decrease in lithium ion mobility. Lithium ions due to decreased mobility form lithium dendrites on the surface of the cathode, causing battery safety problems. Therefore, the formation of a solid SEI layer and uniform thickness through the formation process can increase the life and safety of the lithium-ion secondary battery and improve its performance. In this research, 80 mAh double layer pouch (DLP) cell and 2 Ah 2170 cylindrical cell were manufactured, analyzed, and evaluated to design process conditions to form a uniform and robust SEI layer. SEI layer according to State of Charge (SOC, %) was formed, and formation was performed by temperature according to 25°C, 45°C, and 60°C. And the SEI layer was stabilized and strengthened through step-by-step charge and discharge conditions. The electrochemical properties of the formed SEI layer were evaluated by impedance analysis (EIS), and the cause system was derived in connection with chemical and morphological analysis methods. The chemical properties and binding conditions of the cathode interface were analyzed through X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and the shape and chemical composition of the SEI layer were analyzed using Scanning Electron Spectroscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). The electrochemical characteristics of the lithium-ion secondary battery according to the designed conditions were evaluated for C-rate and room temperature and high temperature cyclability. Low SOC(%) confirmed excellent output characteristics. This study examined the performance change of the lithium-ion secondary battery by the formed SEI layer.
more목차
표 목차 ⅲ
그림 목차ⅳ
초록 ⅶ
Ⅰ. 서론 01
1. 연구배경01
2. 연구의 중요성 및 목적 03
3. 연구내용 및 범위 04
Ⅱ. 이론적 배경 05
1. 리튬이온 이차전지05
1) 양극 활물질 07
2) 음극 활물질 09
3) 전해질 12
4) 분리막 13
2. 화성공정 14
1) 화성공정 개요14
2) SEI layer16
3) SEI layer의 구성 및 형성19
4) 화성공정 주요 단계 22
Ⅲ. 실험방법 24
1. 리튬이온 이차전지 설계 및 제작 24
1) Double layer pouch cell27
2) 21700 Cylindrical cell 33
2. 리튬이온 이차전지 화성공정38
1) Pre-charging 38
2) Formation 41
3 SEI layer 분석 48
1) 결정구조 분석48
2) 화학적 분석 48
3) 형상학적 분석48
4. 리튬이온 이차전지 전기화학적 특성 평가51
1) Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS) 51
2) C-rate 51
3) 수명 평가 52
Ⅳ. 결과 및 고찰 53
1. SEI layer 분석 결과 53
1) 결정학적 분석 결과 53
2) 화학적 분석 결과56
3) 형상학적 분석 결과 67
2. DLP cell 전기화학적 특성 평가 결과 70
1) EIS 결과 70
2) C-rate 평가 76
3) 수명 평가 78
3. 2 Ah 급 21700 cylindrical cell 전기화학적 특성 평가 결과81
1) C-rate 평가 81
2) 수명 평가 83
Ⅴ. 결론86
참고문헌 87
ABSTRACT 94