리?? 배터리 용량 이 감소 하는 이유

양극과 음극, 전해질, 분리막은 리튬 이온 배터리의 중요한 구성 요소입니다. 리튬 삽입 및 추출 반응은 양극과 음극에서 발생하며, 각 전극에 삽입되는 리튬의 양이 배터리 용량에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 따라서 최적의 배터리 성능을 보장하기 위해서는 양극과 음극의 용량 균형을 유지하는 것이 필수적입니다.

일반적으로 리튬 이온 배터리는 유기 용매와 전해질(리튬 염)로 구성된 전해질 용액을 사용합니다. 이 전해질 용액은 충분한 전도성과 안정성을 가져야 하며 전극과 호환되어야 합니다. 분리막의 경우, 그 성능은 배터리의 내부 저항과 계면 구조를 결정하는 주요 요인이며 용량 감소에 직접적인 영향을 미칩니다. 고품질 분리막은 리튬 이온 배터리의 용량과 전반적인 성능을 크게 향상시킬 것입니다. 일반적으로 분리막은 주로 양극과 음극을 분리하여 접촉으로 인한 단락을 방지하는 동시에 전해질 이온이 통과하도록 하여 배터리 효율을 극대화하는 기능을 합니다.

리튬 이온 배터리의 화학 반응에는 리튬 이온 삽입 및 추출 중의 산화환원 반응뿐만 아니라, 음극 표면의 SEI 필름 형성 및 파괴, 전해질 분해, 활물질의 구조 변화 및 용해와 같은 부반응도 포함됩니다. 이러한 부반응은 모두 리튬 이온 배터리 용량 감소의 원인입니다.

배터리 사이클링 중 용량 감소 및 손실은 피할 수 없는 현상입니다. 따라서 배터리 용량과 성능을 향상시키기 위해 국내외 다양한 분야의 학자들이 리튬 배터리 용량 손실 메커니즘을 철저히 연구해 왔습니다. 현재 리튬 이온 배터리 용량 감소의 주요 원인으로는 양극 및 음극 표면의 SEI 패시베이션 필름 형성, 리튬 금속 증착, 전극 활물질 용해, 양극 및 음극에서의 산화환원 반응 또는 부반응 발생, 구조 변화 및 상 변화 등이 있습니다. 현재 리튬 이온 배터리 용량 감소의 변화와 그 원인은 지속적으로 연구되고 있습니다.

리튬 이온 배터리의 음극으로 사용될 수 있는 활물질은 여러 종류가 있으며, 탄소계, 실리콘계, 주석계, 리튬 티탄산염 음극 재료가 주요 재료입니다. 다양한 종류의 탄소 재료는 서로 다른 전기화학적 특성을 나타냅니다. 흑연은 높은 전도성, 우수한 층상 구조, 높은 결정성으로 인해 리튬 삽입 및 탈착에 적합합니다. 또한 흑연은 저렴하고 쉽게 구할 수 있어 널리 사용됩니다.

리튬 이온 배터리의 초기 충방전 중, 용매 분자가 흑연 표면에서 분해되어 SEI(Sediment Injection)라는 패시베이션 필름을 형성합니다. 이 반응은 비가역적인 용량 감소를 초래합니다. 과충전 중에는 음극 활물질이 양극 활물질에 비해 과량일 때 음극 표면에 리튬 금속 증착이 발생합니다. 고율 조건에서도 리튬 금속 증착이 발생할 수 있습니다.

일반적으로 리튬 배터리의 용량 감소를 유발하는 리튬 금속 형성은 주로 다음과 같은 이유로 발생합니다:

첫째, 배터리 내 순환 리튬의 양을 감소시킵니다;

둘째, 리튬 금속은 전해질 또는 용매와 반응하여 다른 부산물을 형성합니다;
셋째, 리튬 금속은 주로 음극과 분리막 사이에 증착되어 기공을 막고 내부 저항을 증가시킵니다. 서로 다른 흑연 재료가 리튬 이온 배터리의 용량 감소에 영향을 미치는 메커니즘은 다양합니다. 천연 흑연은 비표면적이 더 높으므로 자체 방전 반응은 리튬 이온 배터리의 용량 손실을 초래합니다. 또한, 음극으로서 천연 흑연은 합성 흑연보다 전기화학적 저항이 더 높습니다. 이 외에도 사이클링 중 음극의 층상 구조 해리, 전극 제조 중 도전재 분산, 보관 중 전기화학적 저항 증가와 같은 요인들이 리튬 이온 배터리의 용량 감소에 기여하는 중요한 요인입니다.

양극 과충전은 주로 양극 재료의 비율이 너무 낮을 때 발생하며, 이는 전극 간 용량 불균형을 초래하고 리튬 이온 배터리의 비가역적인 용량 감소를 유발합니다. 또한, 양극 재료 및 전해질 분해로 인해 방출되는 산소와 가연성 가스의 공존 및 지속적인 축적은 리튬 이온 배터리 사용에 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다.

ACEY-BCT506-512H 배터리 충방전 테스터는 배터리 형성, 용량 측정 및 성능 매개변수 테스트 등에 사용됩니다. 컴퓨터와 단일 칩 마이크로컴퓨터로 구성된 마스터-슬레이브 방식의 배터리 종합 테스트 시스템입니다. 구조가 진보적이고 성능이 신뢰할 수 있으며 작동이 편리하고 효율이 높으며 매우 높은 비용 효율성을 가지고 있습니다. 리튬 배터리 제조업체, 용량 측정 제조업체 및 연구 기관에 필수적인 생산 테스트 장비입니다.

리튬 이온 배터리의 충전 전압이 너무 높으면 전해질 산화를 유발하고 일부 부산물을 생성하여 전극 미세 기공을 막고 리튬 이온 이동을 방해하여 사이클 용량 감소의 변화를 초래합니다. 전해질의 안정성은 농도에 반비례하며, 농도가 높을수록 안정성이 낮아져 리튬 이온 배터리의 용량에 영향을 미칩니다. 충전 중 전해질이 소모되어 조립 시 보충이 필요하며, 이는 활물질의 양을 감소시키고 초기 용량에 영향을 미칩니다.

전해질은 전해질, 용매 및 첨가제로 구성되며, 그 특성은 배터리 수명, 비축 용량, 속도 충방전 성능 및 안전성에 영향을 미칩니다. 전해질과 용매 모두의 분해는 용량 감소를 유발합니다. 초기 충방전 사이클 중 용매 및 기타 물질에 의해 음극 표면에 SEI 필름이 형성되는 것은 비가역적인 용량 감소를 초래하며 이는 피할 수 없습니다. 전해질에 물이나 불화수소와 같은 불순물이 존재하면 LiPF6 전해질이 고온에서 분해될 수 있으며, 생성된 생성물은 양극 재료와 반응하여 배터리 용량에 영향을 미칩니다.

동시에 일부 생성물은 용매와 반응하여 음극 표면의 SEI 필름 안정성에 영향을 미치고 리튬 이온 배터리 성능 저하를 유발합니다. 또한, 전해질 분해 생성물이 전해질과 호환되지 않으면 이동 중에 양극 기공을 막아 배터리 용량 감소를 초래합니다. 일반적으로 배터리의 양극 및 음극과 전해질 간의 부반응 발생 및 그로 인한 부산물은 배터리 용량 감소의 주요 원인입니다.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 용량 손실을 경험하며, 이를 자체 방전이라고 하며, 가역적 용량 손실과 비가역적 용량 손실로 나뉩니다. 용매 산화 속도는 자체 방전 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 양극 및 음극 활물질은 충전 중 용질과 반응하여 리튬 이온 이동, 용량 불균형 및 비가역적 감소를 유발할 수 있습니다. 따라서 활물질의 표면적을 줄이면 용량 손실률을 줄일 수 있으며, 용매 분해는 배터리 저장 수명에 영향을 미칩니다. 분리막 누출도 용량 손실을 유발할 수 있지만, 이는 가능성이 적습니다. 자체 방전이 장시간 지속되면 리튬 금속 증착으로 이어져 양극 및 음극 모두의 용량 감소를 더욱 유발합니다.

충전 중 배터리 양극의 활물질은 불안정하여 전해질과 반응하여 배터리 용량에 영향을 미칩니다. 배터리 용량에 영향을 미치는 요인 중 양극 재료의 구조적 결함, 과도하게 높은 충전 전위, 카본 블랙 함량이 주요 요인입니다.

스피넬 LiMn2O4는 국내에서 풍부하고 저렴하며 열 안정성이 우수하여 배터리 양극의 주요 재료입니다. LiMn2O4 양극을 고온에서 보관하거나 배터리 충방전 사이클 중에 용량 감소가 발생하는데, 이는 주로 다음과 같은 요인 때문입니다. 첫째, 고전압 조건에서 전해질에서 전기화학 반응이 발생하며, 일반적으로 4.0V 이상입니다. 둘째, LiMn2O4의 Mn이 전해질에 용해되어 불균등화 반응을 일으켜 양극 재료의 결정 구조를 파괴합니다.

카본 블랙은 비활성 물질이며 방전 반응에 참여하지 않으므로, 양극 재료의 카본 블랙 함량이 과도하면 강도와 용량에 영향을 미칩니다. 따라서 적절하게 첨가해야 합니다. 또한, 운반체는 카본 블랙 표면에 촉매 물질을 생성하여 금속 이온의 분해 속도를 향상시키고 활성 물질의 용해를 효과적으로 촉진할 수 있습니다.

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