목차
평탄 충전 사이클에서의 배터리 열화: 온도와 전극 재료는 어떤 역할을 할까요?
정치형 배터리 저장 장치는 완전히 충전되거나 방전되지 않는 경우가 많습니다. 대신 에너지 생산과 소비 사이의 변동을 조정하는 역할을 합니다. 이때 발생하는 평탄 충·방전 사이클은 비교적 부담이 적은 것으로 여겨집니다. 그러나 과학적 연구에 따르면 낮은 사이클 깊이가 반드시 낮은 배터리 열화로 이어지는 것은 아닙니다.
Naumann 등(2020)이 리튬인산철/흑연 셀(LFP/흑연)을 대상으로 진행한 장기 연구에서는 중간 충전 상태 영역에서 평탄 충전 사이클 시 뚜렷하면서도 부분적으로 가역적인 용량 손실이 나타났습니다. 이 결과는 사이클 깊이뿐만 아니라 평균 충전 상태, 온도, 전류 부하도 함께 고려해야 함을 보여줍니다.
이때 중요한 것은 배터리 셀 내부에서 실제로 일어나는 현상입니다. 어떤 화학 반응이 실제로 사용 가능한 용량 손실로 이어질까요? 전극 재료는 어떤 역할을 하며, 배터리 열량계를 이용해 열적 변화를 어떻게 분석할 수 있을까요?
리튬 이온 배터리의 구조와 셀 포맷
열화 과정을 이해하려면 먼저 배터리 셀의 화학적 조성과 기계적 구조를 구분해야 합니다.
리튬 이온 셀은 기본적으로 양극, 음극, 이온 전도성 전해질, 그리고 분리막으로 구성됩니다. 충·방전 과정에서는 리튬 이온이 전극 사이를 이동하며 전기화학적으로 활성화된 재료에 삽입되거나 다시 방출됩니다.
사용된 전극 재료는 셀의 전기적·전기화학적 특성을 결정하는 핵심 요소입니다. 예를 들어 LFP/흑연 셀과 NMC/흑연 셀은 전극 전위, 에너지 밀도, 열화 거동 측면에서 서로 다른 특성을 보입니다.
셀 화학과 무관하게 형상, 케이스, 전극 배치, 기계적 안정성 등에서 차이를 보이는 다양한 구조 형태가 존재합니다.
원통형 셀, 각형 셀, 파우치형 셀
원통형 셀(Round Cell)은 대부분 금속 재질의 원통형 케이스를 가지고 있습니다. 전극과 분리막은 일반적으로 권취 구조로 감겨 있습니다. 잘 알려진 포맷으로는 18650, 21700 등이 있습니다. 견고한 케이스는 기계적 보호 기능을 제공하며, 원통형 형상은 방열 및 온도 분포에 영향을 미칩니다.
각형 셀(Prismatic Cell)은 사각형의 대부분 단단한 케이스를 가지고 있습니다. 콤팩트한 구조 덕분에 공간 효율적으로 배터리 모듈로 조합할 수 있습니다. 셀 구조에 따라 전극이 적층되거나 권취됩니다. 각형 셀은 전기자동차 및 정치형 에너지 저장 장치 등에 사용됩니다.
파우치형 셀(Pouch Cell)은 단단한 금속 케이스 대신 유연한 다층 파우치 필름을 사용합니다. 비교적 가벼운 구조 덕분에 공간 활용도가 높습니다. 동시에 기계적 안정성이 상대적으로 낮고 작동 중 두께 변화가 발생할 수 있어 적절한 기계적 지지가 필요합니다.
코인셀(Coin Cell)은 얇은 금속 케이스를 가진 특히 콤팩트한 셀입니다. 배터리 연구 분야에서는 새로운 전극 재료와 전해질 조성을 소형 실험 셀에서 분석하는 데 자주 사용됩니다.
다만 셀 형태만으로는 열화를 결정할 수 없습니다. 형상이 서로 다른 두 셀이 동일한 전극 화학을 사용할 수도 있고, 동일한 형태의 셀이 완전히 다른 재료 시스템을 포함할 수도 있습니다.
열적 분석을 위해서는 두 가지 측면이 모두 중요합니다. 셀 화학은 발열에 영향을 미치고, 형상, 케이스, 열 접촉 조건은 측정 시스템으로의 열 전달에 영향을 미칩니다.
그림 1: 리튬 이온 배터리 셀의 주요 구조 형태 비교.
이 그림은 코인셀(Coin Cell), 원통형 셀(Cylindrical Cell), 각형 셀(Prismatic Cell), 파우치형 셀(Pouch Cell)을 보여줍니다. 각 구조 형태는 특히 형상, 케이스 구조, 기계적 안정성에서 차이를 보입니다. 이러한 특성은 열량측정 분석 시 열 전달 및 열 접촉에 영향을 미칩니다. 셀 화학은 외형 구조와는 무관합니다.
출처: 자체 제작한 개략도, AI를 활용해 작성됨. 실제 축척과 다름.
리튬 이온 배터리는 어떻게 열화될까요?
리튬 이온 배터리의 열화는 단일 화학 반응으로 설명할 수 없습니다. 여러 반응과 구조적 변화가 동시에 발생하며 서로 영향을 미칠 수 있습니다.
가장 주요한 결과는 사용 가능한 용량의 손실과 전기적·전기화학적 내부 저항의 증가입니다.
재료 차원에서는 특히 세 가지 근본적인 변화를 구분할 수 있습니다. 바로 순환 가능한 리튬의 손실, 전기화학적으로 활성화된 재료의 손실, 그리고 이동 및 계면 특성의 변화입니다.
SEI 성장: 리튬이 화학적으로 결합되는 과정
이 과정에서 흑연 음극이 핵심적인 역할을 합니다.
리튬 이온 배터리를 처음 충전할 때, 음극 표면에서 전해질이 부분적으로 환원됩니다. 이때 고체 반응 생성물이 생성되어 보호층을 형성하는데, 이를 고체 전해질 계면층(SEI)이라고 합니다.
이 층은 흑연 표면을 추가적인 비제어 전해질 분해로부터 보호하는 동시에 리튬 이온의 이동을 가능하게 하기 때문에 필수적입니다.
SEI는 다양한 유기 및 무기 화합물로 구성됩니다. 가능한 구성 성분으로는 탄산리튬(Li₂CO₃), 불화리튬(LiF), 그리고 리튬을 포함한 유기 반응 생성물 등이 있습니다. 실제 조성은 전해질과 작동 조건 등에 따라 달라집니다.
이러한 화합물이 형성되는 과정에서 리튬 이온이 반응 생성물에 결합됩니다. 이후 해당 리튬 이온은 양극과 음극 사이의 정상적인 전하 교환에 더 이상 사용될 수 없습니다.
즉, 리튬은 셀에서 사라지는 것이 아니라 일부가 화학적으로 결합된 형태로 존재하게 됩니다.
이 과정을 리튬 재고 손실(LLI)이라고 합니다. 이는 전기 에너지의 가역적 저장 및 방출에 사용될 수 있는 리튬의 비율이 손실되는 것을 의미합니다.
초기 SEI 형성 이후에도 추가적인 반응이 일어날 수 있습니다. 높은 온도, 긴 보관 시간, 전극 표면의 변화는 추가적인 SEI 성장을 촉진할 수 있습니다. 이 과정에서 리튬과 전해질 성분이 다시 결합되거나 소모됩니다.
Keil 등(2016)은 칼렌더 열화가 특히 흑연 음극의 전위에 좌우됨을 보여주었습니다. 충전 상태가 높을수록 흑연은 더 많이 리튬화됩니다. 이로 인해 낮아진 음극 전위는 추가적인 전해질 환원과 SEI 성장을 촉진할 수 있습니다.
리튬 도금: 리튬이 금속 형태로 석출되는 현상
또 다른 열화 메커니즘으로 리튬 도금(Lithium Plating)이 있습니다.
정상적인 충전 과정에서는 리튬 이온이 흑연 구조 내부에 삽입됩니다. 하지만 불리한 조건에서는 이러한 삽입 과정이 너무 느리게 진행될 수 있습니다. 예를 들어 낮은 온도, 높은 충전 전류, 또는 이미 리튬화가 많이 진행된 음극에서 이런 현상이 발생할 수 있습니다.
리튬 이온이 흑연 내부로 완전히 삽입되지 못하고 전자를 받아들여 금속 리튬 형태로 음극 표면에 석출될 수 있습니다.
이렇게 생성된 금속 리튬의 일부는 이후 방전 과정에서 다시 전기화학적으로 반응할 수 있습니다. 반면 나머지 일부는 전해질과 반응하거나 전극과의 전기적 접촉을 잃게 됩니다.
이렇게 전기적으로 고립된 리튬을 흔히 데드 리튬(Dead Lithium)이라고 부릅니다. 이는 더 이상 정상적인 충·방전 과정에 참여할 수 없습니다.
따라서 리튬 도금은 순환 가능한 리튬의 손실에 기여하며, 추가적인 부반응과 SEI 변화를 촉진할 수 있습니다.
특히 불리한 석출 구조가 형성될 경우 금속 석출은 안전성 측면에서도 중요한 문제가 됩니다. 다만 열 흐름의 변화만으로는 리튬 도금을 명확히 증명할 수 없습니다.
기계적 손상 및 활성 재료 손실
충·방전 과정에서는 전극의 리튬 함량이 변화합니다. 이에 따라 결정 격자와 재료 부피의 변화가 함께 일어날 수 있습니다.
반복되는 팽창 및 수축 과정은 기계적 응력을 유발할 수 있습니다. 전극 재료와 셀 구조에 따라 균열, 접촉 손실, 또는 입자 구조의 변화가 발생할 수 있습니다.
활성 입자가 전도성 전극 네트워크로부터 전기적으로 분리되면, 리튬 저장 능력이 남아 있더라도 더 이상 전기화학적 과정에 완전히 참여할 수 없습니다.
이러한 현상을 활성 재료 손실(LAM)이라고 합니다.
또한 균열은 새로운 전극 표면을 노출시킬 수 있습니다. 전해질이 이러한 표면에 도달하면 추가적인 계면 반응이 발생할 수 있습니다. 이러한 방식으로 기계적 열화와 화학적 열화는 부분적으로 서로를 강화할 수 있습니다.
양극 및 전해질에서의 변화
양극에서도 열화 과정이 발생합니다.
NMC 기반 양극의 경우, 높은 전극 전위와 상승한 온도는 전해질 산화, 표면 구조 변화, 전이금속 용출 등을 촉진할 수 있습니다.
용출된 금속 이온은 전해질을 통해 이동하여 음극에서 추가적인 바람직하지 않은 반응에 영향을 줄 수 있습니다.
또한 양극 표면에는 양극 전해질 계면층(CEI)이라고 불리는 계면층이 형성될 수 있습니다.
LFP 셀의 경우 다른 구조적·전기화학적 특성이 핵심적으로 작용합니다. 올리빈 구조의 LFP는 비교적 안정적인 것으로 알려져 있지만, 여기서도 계면 반응, 전해질 열화, 순환 가능한 리튬의 손실이 열화에 기여할 수 있습니다.
Qiao 등(2025)은 서로 다른 온도와 충전 상태에서 LFP/흑연 파우치 셀을 분석했습니다. 해당 조건에서는 온도와 충전 상태가 높을수록 용량 손실이 더 크게 나타났습니다.
그림 2: 기존 리튬 이온 셀과 고체 배터리의 개략적인 구조 비교.
이 그림은 전극, 집전체, 전해질, 그리고 SEI 및 CEI 계면층을 포함한 두 셀 개념의 기본 구조를 보여줍니다. 이 그림은 셀 구조를 설명하기 위한 것이며 특정 LFP/흑연 셀 화학을 나타내지는 않습니다.
출처: Amiri, A. K.; Morgan, L. M.; Michael, M. P.; Edge, J. S. (2021): Structures of conventional and solid state lithium ion batteries. Zenodo. DOI: 10.5281/zenodo.5013913.
칼렌더 열화와 사이클 열화
앞서 설명한 화학적·기계적 과정은 보관 중에도, 실제 작동 중에도 발생할 수 있습니다.
칼렌더 열화의 경우 특히 온도, 보관 기간, 충전 상태가 중요한 역할을 합니다. 따라서 셀이 오랜 기간 거의 사용되지 않더라도 용량이 손실될 수 있습니다.
사이클 열화의 경우 반복적인 충·방전으로 인한 부하가 추가로 발생합니다. 여기에는 전극 내 농도 변화, 기계적 응력, 전류 부하가 포함됩니다.
실제 작동 환경에서는 두 가지 열화 형태를 완전히 분리할 수 없습니다. 예를 들어 사이클 테스트 중 셀은 시간에 따른 SEI 성장과 반복적인 전극 부하로 인해 동시에 열화될 수 있습니다.
평탄 충전 사이클: 낮은 사이클 깊이가 항상 충분하지 않은 이유
사이클 깊이(Depth of Discharge, DoD)는 충전 또는 방전 과정에서 사용되는 가용 용량의 비율을 의미합니다.
평탄 사이클에서는 충전 상태(State of Charge, SoC)가 제한된 범위 내에서만 변화합니다. 예를 들어 SoC 40~60% 사이에서 운영되는 저장 장치는 20퍼센트포인트의 충전 폭을 거치게 됩니다.
평탄 사이클은 큰 충전 폭에 비해 기계적 부하를 줄일 수 있습니다. 그러나 실제 열화 영향은 평균 충전 상태, 온도, 전류 프로파일에도 좌우됩니다.
Naumann 등(2020)은 29개월에 걸쳐 다양한 작동 조건에서 상용 LFP/흑연 셀을 분석했습니다. 이 과정에서 특히 중간 충전 상태 영역에서 평탄 사이클 시 뚜렷하면서도 부분적으로 가역적인 용량 손실을 관찰했습니다.
따라서 이러한 용량 손실이 반드시 비가역적인 화학적 변화와 동일시될 필요는 없습니다. 완화 과정과 참조 측정 조건 또한 측정된 용량에 영향을 줄 수 있습니다.
이로부터 깊은 사이클이 일반적으로 더 유리하다는 결론은 도출되지 않습니다. 신뢰할 수 있는 평가를 위해서는 사이클 깊이, SoC 범위, 온도, 전류 부하, 에너지 처리량을 함께 고려해야 합니다.
그림 3: 평탄 충전 사이클과 심층 충전 사이클에서의 충전 상태 범위 비교.
이 개략도는 서로 다른 평균 충전 상태(SoC)에서도 동일한 사이클 깊이(DoD)가 나타날 수 있음을 보여줍니다. 반대로, 서로 다른 충전 폭이 동일한 평균 SoC를 가질 수도 있습니다. 따라서 배터리 열화를 평가할 때는 이 두 가지 영향 요인을 모두 고려해야 합니다.
출처: 자체 제작한 개략도, AI를 활용해 작성됨. 실험적 측정 데이터 아님.
배터리 열량계는 무엇을 측정할까요?
충·방전 과정에서 배터리 셀 내부에서는 전기적·전기화학적 과정뿐만 아니라 열적 효과도 발생합니다.
배터리 열량계는 정의된 작동 조건 하에서 배터리 셀이 주변 환경 또는 측정 시스템으로 전달하는 열 흐름을 측정합니다.
등온 배터리 열량계에서는 셀을 가능한 한 일정하고 제어된 온도 조건에서 분석합니다. 방출되는 열 흐름은 시간에 따라 기록됩니다.
단순한 온도 측정과 달리, 이 방식은 셀이 얼마나 뜨거워지는지만 관찰하는 것이 아닙니다. 열량측정은 열 에너지 교환에 대한 정량적인 정보를 제공합니다.
작동 중 어떤 열 효과가 발생할까요?
배터리의 발열은 여러 요인이 결합되어 나타납니다.
비가역 열은 특히 저항 손실과 전기화학적 분극으로 인해 발생합니다. 이러한 손실은 전류 세기, 셀 상태, 온도 등에 따라 달라집니다.
가역 열은 전기화학적 셀 반응의 엔트로피 변화와 관련이 있습니다. 충전 상태와 전류 방향에 따라 이 열 기여는 발열 또는 흡열이 될 수 있습니다.
기생 열 흐름은 원치 않는 부반응, 예를 들어 지속적인 전해질 분해나 계면 반응으로 인해 발생할 수 있습니다.
이러한 과정의 기본적인 에너지 수지는 Bernardi, Pawlikowski, Newman(1985)에 의해 설명되었습니다.
해석에서 중요한 점은 열량계가 먼저 중첩된 전체 열적 기여를 측정한다는 것입니다. 개별 반응을 특정 열 흐름 값만으로 명확히 식별할 수는 없습니다.
그러나 적절한 측정 프로토콜, 병행 전기 측정, 그리고 물리적 모델을 통해 다양한 열 기여를 더 자세히 분석할 수 있습니다.
LINSEIS IBC L91은 무엇을 측정할 수 있나요?
LINSEIS IBC L91은 제어된 온도 조건에서 배터리 셀의 열 흐름을 분석하기 위한 등온 배터리 열량계입니다.
이 측정 시스템은 온도가 제어되는 측정 플레이트와 열유속 센서로 작동합니다. 배터리는 측정 장치에 열적으로 결합되며, 적절한 전기 공급원 또는 배터리 사이클러를 통해 충·방전 거동이 설정됩니다.
측정된 열 흐름은 전류, 전압, 온도 데이터와 함께 분석할 수 있습니다.
이를 통해 예를 들어 다양한 C-rate, 충전 상태 범위, 측정 온도의 영향은 물론, 반복 측정에 따른 열적 거동 변화도 분석할 수 있습니다.
IBC L91의 측정 셀은 모듈식으로 구성되어 있어 다양한 셀 크기와 형상에 맞게 조정할 수 있습니다.
이 시스템은 전용 어댑터가 제공되는 코인셀과 원통형 셀을 지원합니다. 또한 적절한 측정 플레이트 구성을 사용하면 평탄한 파우치형 셀과 각형 셀도 분석할 수 있습니다.
구체적인 적합성은 셀 치수, 열 접촉, 측정 플레이트 형상, 예상되는 열 흐름에 따라 달라집니다.
측정을 통해 어떤 정보를 얻을 수 있나요?
시간에 따라 기록된 열 흐름 데이터로부터 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.
이를 통해 서로 다른 충·방전 전류에서 발열이 어떻게 변화하는지 분석할 수 있습니다. 동시에 정의된 온도 조건을 활용하면 셀의 열적 거동 차이를 명확히 드러낼 수 있습니다.
정해진 시간 동안 열 흐름을 적분하면 해당하는 열 에너지 교환량을 산출할 수 있습니다.
이러한 결과는 전기적 측정 데이터와 함께 배터리 셀의 에너지 수지를 평가하는 데 기여할 수 있습니다.
다만 해석 시에는 열 흐름의 부호 규칙, 측정 시스템의 동적 응답, 그리고 사용된 보정 및 교정 절차를 고려해야 합니다.
열량계로 배터리 열화를 어떻게 분석할 수 있나요?
배터리 칼로리미터는 셀의 노화를 단일 물리량으로 직접 측정하지는 않습니다. 그러나 전기화학적 및 화학적 과정과 연관될 수 있는 열적 변화에 대한 추가 정보를 제공합니다.
예를 들어 노화 조사를 위해서는 정의된 운전 조건에서 동일한 셀을 비교하는 방법이 적합합니다.
먼저 셀의 열적 초기 상태를 특성화합니다. 이를 위해 표준화된 충·방전 프로파일 동안 열유속 측정을 수행할 수 있습니다.
이후 셀을 정해진 사이클 수만큼 부하하거나, 정의된 충전 상태와 정의된 온도에서 장기간 보관합니다.
일정한 간격으로 동일한 칼로리메트리 측정 프로그램을 다시 수행합니다.
유사한 SoC, 동일한 온도 및 전류 부하에서 열유속이 변한다면, 이는 셀의 열적 또는 전기화학적 거동이 변화했음을 시사합니다.
원인은 예를 들어 내부 저항 증가, 분극 손실 변화 또는 추가적인 부반응에 있을 수 있습니다.
SEI 성장과 리튬 플래이팅을 직접 측정할 수 있습니까?
등온 칼로리메트리는 SEI 성장, 전해질 열화 또는 리튬 플래이팅과 관련된 반응을 조사하는 데 기여할 수 있습니다.
다만, 이를 명확히 구분해 매칭하는 것은 까다롭습니다.
SEI 성장에서는 화학적 부반응이 추가 열을 발생시킬 수 있습니다. 해당 신호는 매우 작을 수 있으며, 가역 및 비가역 열 기여분과 중첩될 수 있습니다.
Downie, Hyatt 및 Dahn(2016)은 NMC442/흑연 셀을 통해 등온 마이크로칼로리메트리가 서로 다른 전해질 시스템 간 기생 반응의 차이를 검출할 수 있음을 보였습니다.
리튬 플래이팅 역시 셀의 열적 거동에 영향을 줄 수 있습니다. 그러나 특징적인 열유속 곡선만으로는 리튬이 금속 형태로 석출되었음을 입증할 수 없습니다.
명확한 구분을 위해서는 전기화학 임피던스 분광법, 특수 전압 이완 분석 또는 재료 분석 조사와 같은 보완 기법이 필요합니다.
따라서 배터리 칼로리미터는 모든 노화 반응을 직접 화학적으로 식별하는 것이 아니라, 그 열적 영향에 대한 추가적인 실험적 접근을 제공합니다.
실무 예시: 서로 다른 충·방전 전류에서의 열유속
LINSEIS IBC L91의 적용 예시는 서로 다른 C-레이트에서 처리된 용량에 따른 단일 리튬이온 배터리 셀의 열유속을 보여줍니다.
측정은 0.4 C, 0.6 C 및 0.8 C에서 수행되었습니다.
곡선은 전류 부하가 열유속 곡선에 영향을 미친다는 점을 보여줍니다. 제시된 시험에서 더 높은 충·방전 전류에서는 절대값 기준으로 더 큰 열유속이 나타납니다. 동시에 각 경우에 도달한 용량도 서로 다릅니다.
이를 통해 서로 다른 전기적 운전 조건을 칼로리메트리로 비교할 수 있음을 보여줍니다.
그러나 이 단일 측정만으로 장기 노화율에 대해 즉각적으로 결론을 내릴 수는 없습니다. 이를 위해서는 반복 측정과 용량 및 임피던스 변화에 대한 추가 정보가 필요합니다.
그림 4: 서로 다른 충·방전 전류가 리튬이온 배터리의 열유속에 미치는 영향.
서로 다른 C-레이트(0.4 C, 0.6 C, 0.8 C)에서 단일 리튬이온 배터리 셀의 처리된 용량에 따른 열유속을 나타냅니다. 측정 곡선은 전류 부하가 열유속 곡선과 도달 용량 모두에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 특히 더 높은 충·방전 전류에서는 절대값 기준으로 더 큰 열유속이 나타납니다. 결과는 전기적 부하, 열적 거동 및 사용 가능한 용량 간의 연관성을 보여줍니다. 에너지 효율을 정량적으로 산정하려면 추가 전기 에너지 데이터와 이에 상응하는 열수지가 필요합니다.
출처: 자체 측정, LINSEIS MESSGERAETE GMBH.
정지형 배터리 저장장치의 노화를 어떻게 줄일 수 있습니까?
과학적 노화 연구 결과에 따르면, 정지형 리튬이온 저장장치의 수명은 적절한 운전 전략에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
중요한 접근점 중 하나는 온도 관리입니다. 높은 온도는 다양한 바람직하지 않은 화학적 부반응을 가속할 수 있습니다. 동시에 충전 프로파일을 선택할 때 너무 낮은 온도도 고려해야 하는데, 불리한 조건에서는 리튬 플래이팅을 촉진할 수 있기 때문입니다.
또한 충전 상태 창도 중요한 역할을 합니다. 높은 충전 상태에서의 장시간 체류는 특히 달력 노화를 촉진할 수 있습니다. 적절한 한계값은 사용된 셀 화학과 적용 프로파일에 따라 달라집니다.
충·방전 전류를 선택할 때는 열적 부하와 원하는 출력을 서로 절충해야 합니다. 높은 전류는 비가역 열손실 증가로 이어질 수 있으며, 특정 조건에서는 추가 노화 메커니즘을 촉진할 수 있습니다.
마지막으로 사이클 깊이는 단독으로 보아서는 안 됩니다. 얕은 충전 사이클은 유리할 수 있지만, 그 효과는 평균 충전 상태와 기타 운전 조건에 따라 달라집니다.
칼로리메트리 측정은 서로 다른 운전 전략의 발열을 정량적으로 비교하는 데 도움이 될 수 있습니다. 전기화학적 노화 시험과 결합하면, 수명이 긴 배터리 저장장치를 개발하기 위한 추가적인 근거를 제공합니다.
결론: 재료 및 셀 수준에서 배터리 노화 이해
리튬이온 배터리의 노화는 화학적, 전기화학적 및 기계적 과정의 상호작용으로 발생합니다. 여기에는 특히 계면층의 성장, 리튬의 비가역적 결합, 금속 리튬 석출 및 전기화학적으로 활성인 재료의 손실이 포함됩니다.
얕은 충전 사이클은 부담을 줄일 수 있지만, 낮은 노화율을 자동으로 보장하지는 않습니다. 결정적인 요소는 셀 화학과 온도, 충전 상태, 전류 부하 및 사이클 깊이의 조합입니다.
배터리 칼로리메트리는 발열에 대한 시간 분해 정보를 통해 전기적 및 전기화학적 조사를 보완합니다. LINSEIS IBC L91은 정의된 운전 조건에서 이러한 열적 변화를 조사하고 전기 측정 데이터와 연관 지을 수 있게 해줍니다.
칼로리메트리 결과를 적절한 노화 및 재료 분석과 결합해야만, 근본적인 열화 과정을 보다 포괄적으로 평가하고 운전 전략을 목표 지향적으로 개선할 수 있습니다.
과학 문헌
- Naumann, M.; Spingler, F.; Jossen, A. (2020): Analysis and modeling of cycle aging of a commercial LiFePO₄/graphite cell. Journal of Power Sources, 451, 227666. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227666
- Keil, P. et al. (2016): Calendar Aging of Lithium-Ion Batteries: I. Impact of the Graphite Anode on Capacity Fade. Journal of The Electrochemical Society, 163(9), A1872–A1880. https://doi.org/10.1149/2.0411609jes
- Qiao, X. et al. (2025): Deciphering the Calendar Aging Degradation Mechanism of LiFePO₄–Graphite Pouch Cells. ACS Applied Energy Materials, 8(4), 2209–2218. https://doi.org/10.1021/acsaem.4c02761
- Wang, J. et al. (2014): Degradation of lithium ion batteries employing graphite negatives and nickel–cobalt–manganese oxide + spinel manganese oxide positives: Part 1, aging mechanisms and life estimation. Journal of Power Sources, 269, 937–948. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.07.030
- Downie, L. E.; Hyatt, S. R.; Dahn, J. R. (2016): The Impact of Electrolyte Composition on Parasitic Reactions in Lithium Ion Cells Charged to 4.7 V Determined Using Isothermal Microcalorimetry. Journal of The Electrochemical Society, 163(2), A35–A42. https://doi.org/10.1149/2.0081602jes
- Bernardi, D.; Pawlikowski, E.; Newman, J. (1985): A General Energy Balance for Battery Systems. Journal of The Electrochemical Society, 132(1), 5–12. https://doi.org/10.1149/1.2113792
- Edge, J. S. et al. (2021): Lithium ion battery degradation: what you need to know. Physical Chemistry Chemical Physics. https://doi.org/10.1039/D1CP00359C
- Fraunhofer ISI (2022): Development perspectives for lithium-ion battery cell formats. https://www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/cct/2022/Development_perspectives_for_lithium-ion_battery_cell_formats_Fraunhofer_2022.pdf
- LINSEIS Messgeräte GmbH: IBC L91 – Isothermal Battery Calorimeter. Technische Produktdokumentation. https://www.linseis.com/messgeraete/kalorimetrie/ibc-l91-isothermal-battery-calorimeter/
