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배터리기술

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배터리 팩 냉각시스템의 열관리 효율 극대화 기술 배터리 열발생 메커니즘과 열관리의 중요성리튬이온 배터리에서 열발생은 주로 오믹 손실, 분극 손실, 엔트로피 변화, 부반응에 의해 발생한다. 오믹 손실은 배터리 내부저항으로 인한 줄 가열(Joule heating)로, Q = I²R 식에 따라 전류의 제곱에 비례한다. 1C 충전에서 약 2-3W의 열이 발생하지만, 3C 급속충전에서는 18-27W로 급격히 증가한다. 분극 손실은 활성화 과전압, 농도 과전압, 저항 과전압에 의한 것으로, 특히 고율 충방전 시 전체 열발생의 60-70%를 차지한다. 엔트로피 변화는 전극 반응에서의 자유에너지 변화로 인한 것으로, 가역적 열로 분류되지만 온도 상승에 기여한다. 부반응 열은 SEI 층 형성, 전해액 분해, 가스 발생 등으로 인한 것으로 배터리 노화와 함께 증가한다...
리튬인산철(LFP) 배터리의 저온 성능 향상을 위한 도전재 설계 LFP 양극재의 저온 특성과 전기전도도 한계 분석리튬인산철(LiFePO₄, LFP) 양극재는 우수한 열안정성과 긴 수명, 높은 안전성을 제공하지만 본질적으로 낮은 전기전도도와 리튬이온 확산속도로 인해 저온 성능에 치명적인 약점을 가진다. LFP의 전자 전도도는 상온에서 약 10⁻⁹ S/cm로 NCM(10⁻⁴ S/cm)이나 LCO(10⁻³ S/cm)보다 4-6배 차수가 낮다. 온도가 0°C로 낮아지면 전자 전도도는 10⁻¹¹ S/cm까지 감소하며, -20°C에서는 거의 절연체 수준인 10⁻¹³ S/cm에 도달한다. 이러한 극도로 낮은 전기전도도는 LFP의 olivine 결정구조에서 Fe²⁺-Fe³⁺ 간 전자 호핑(electron hopping) 메커니즘이 온도에 매우 민감하기 때문이다. LFP의 리튬이온 ..
급속충전 시 리튬 덴드라이트 형성 방지를 위한 충전 알고리즘 최적화 리튬 덴드라이트 형성 메커니즘과 급속충전 시 위험성 분석리튬 덴드라이트는 충전 과정에서 음극 표면에 수지상(樹枝狀)으로 성장하는 리튬금속 결정체로, 전기화학적 석출과 확산 제한 응집(diffusion limited aggregation) 메커니즘에 의해 형성된다. 덴드라이트 형성의 근본적인 원인은 리튬이온의 불균일한 석출로, 음극 표면의 국부적인 전류밀도 차이가 핵생성 속도의 차이를 만들어낸다. 전류밀도가 높은 지점에서는 리튬이온의 환원 속도가 표면 확산 속도를 초과하여 3차원적 핵성장이 시작되며, 이렇게 형성된 초기 핵은 더 높은 국부 전기장을 형성하여 추가적인 리튬 석출을 촉진한다. 이러한 양의 피드백 메커니즘으로 인해 덴드라이트는 가속적으로 성장하게 된다. 덴드라이트 성장 속도는 Sand's tim..
리튬이온 배터리 분리막의 기공구조가 이온 전도도에 미치는 영향 분리막 기공구조의 기본 특성과 이온 전도 메커니즘리튬이온 배터리 분리막은 양극과 음극 사이의 물리적 격리를 제공하면서 동시에 리튬이온의 선택적 투과를 가능하게 하는 핵심 부품이다. 분리막의 기공구조는 기공률(porosity), 기공 크기 분포, 기공 형태(morphology), 그리고 기공의 연결성(connectivity)으로 특성화되며, 이들 각각이 이온 전도도에 직접적인 영향을 미친다. 일반적인 폴리올레핀 분리막의 기공률은 35-50% 범위이며, 평균 기공 크기는 20-200nm 사이에 분포한다. 기공률이 높을수록 전해액을 더 많이 함침할 수 있어 이온 전도도가 증가하지만, 45% 이상에서는 기계적 강도가 급격히 감소하여 안전성 문제가 발생할 수 있다. 기공 크기는 이온 전도 메커니즘에 결정적인 영향..
고전압 양극재의 전해액 산화 억제 기술 LNMO 스피넬 구조와 5V급 고전압 특성 분석LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄(LNMO)는 스피넬 구조를 갖는 고전압 양극재로, 4.7V vs Li/Li⁺의 높은 작동 전압에서 약 130-140mAh/g의 용량을 제공한다. 이 소재의 결정구조는 Fd3m 공간군의 입방정계 스피넬 구조로, 리튬이온이 8a 사이트(사면체 배위), 전이금속이 16d 사이트(팔면체 배위), 산소가 32e 사이트에 위치한다. LNMO의 격자 상수는 약 8.17Å이며, 이는 전통적인 LiMn₂O₄ 스피넬(8.25Å)보다 작아 더 치밀한 구조를 형성한다. 이러한 구조적 특징으로 인해 LNMO는 우수한 구조 안정성과 높은 에너지밀도를 동시에 구현할 수 있다. LNMO에서 전기화학 반응은 주로 니켈의 Ni²⁺/Ni⁴⁺ 산화환원 쌍에 의해 진행..
리튬이온 배터리 전해액 첨가제의 기능별 분류와 최적 농도 설정 SEI 층 형성 첨가제와 음극 계면 안정화 메커니즘SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층 형성 첨가제는 리튬이온 배터리 전해액에서 가장 중요한 역할을 담당하는 첨가제 그룹이다. 이들 첨가제는 주로 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 에틸렌 설파이트(ES) 등이 있으며, 각각 고유한 SEI 형성 메커니즘을 가진다. VC는 약 1.37V vs Li/Li⁺에서 환원되어 폴리(VC)와 같은 중합체를 형성하며, 이는 기존 EC 분해 산물보다 더 안정하고 균일한 SEI 층을 만든다. VC 첨가제의 최적 농도는 일반적으로 1-5wt% 범위이며, 2wt% 농도에서 가장 우수한 성능을 보인다. FEC는 VC보다 더 낮은 전위인 1.2V에서 환원되기 시작하여 LiF가 풍..
실리콘 나노와이어 음극재의 부피 팽창 억제를 위한 바인더 개발 실리콘 나노와이어 구조와 리튬화 반응에 따른 부피 변화 메커니즘실리콘 나노와이어는 일차원적 나노구조를 갖는 음극재료로, 직경 10-100nm, 길이 수 마이크로미터의 원통형 형태를 가진다. 이러한 고종횡비(aspect ratio) 구조는 리튬이온의 삽입과 탈리 과정에서 발생하는 응력을 효과적으로 완화할 수 있는 장점을 제공한다. 실리콘의 결정구조는 다이아몬드 구조를 기반으로 하며, 각 실리콘 원자는 4개의 인접 원자와 공유결합을 형성한다. 나노와이어 형태에서는 표면 원자의 비율이 높아져 리튬이온의 확산 경로가 단축되고 반응 속도가 향상된다. 리튬화 반응 과정에서 실리콘은 Li₄.₄Si까지의 합금을 형성할 수 있어 이론적으로 4200mAh/g의 높은 용량을 제공한다. 리튬화 과정은 크게 3단계로 진행된다...
NCM(니켈-코발트-망간) 삼원계 양극재의 니켈 함량 증가에 따른 열안정성 변화 NCM 삼원계 양극재의 결정구조와 니켈 함량별 조성 특성NCM(Nickel Cobalt Manganese) 삼원계 양극재는 LiNi₁₋ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ 화학식으로 표현되는 층상 리튬 전이금속 산화물이다. 이 소재는 α-NaFeO₂ 구조를 기반으로 하는 R3m 공간군의 육방정계 구조를 가지며, 리튬이온이 위치하는 3a 사이트, 전이금속이 차지하는 3b 사이트, 그리고 산소가 배치되는 6c 사이트로 구성된다. 전이금속 층과 리튬 층이 교대로 적층된 구조에서 리튬이온의 2차원 확산이 가능하여 높은 이온전도도를 구현할 수 있다. 니켈 함량에 따라 NCM은 여러 조성으로 분류된다. NCM111(Li(Ni₁/₃Co₁/₃Mn₁/₃)O₂)은 세 전이금속이 동일한 비율로 구성되어 상대적으로 안정한 구조를 가진다. N..