배터리 용량에 영향을 미치는 요소는 무엇입니까?

소개

리튬 배터리 셀 간 용량 불일치는 팩 성능 저하 및 잠재적 안전 위험을 초래하는 주요 요인 중 하나입니다. 이러한 차이는 배터리 전체에 걸쳐 여러 요인에서 발생합니다. ' s 라이프사이클 — 제조 공정, 재료 특성, 설계 매개변수, 사용 조건 및 환경적 영향을 포함합니다.

이 논문은 리튬 배터리 셀 용량 변화의 주요 원인에 대한 체계적인 분석을 제공하고 셀 생산과 배터리 팩 통합의 일관성과 신뢰성을 개선하는 데 도움이 되는 통찰력을 제공합니다.

I. 제조 공정 요인

(1) 코팅 및 캘린더링 De 여행

1. 코팅 두께 불균일

양극 및 음극 활물질의 코팅 두께 또는 밀도 차이는 유효 반응 면적과 리튬 이온 삽입량에 직접적인 영향을 미쳐 단일 셀 용량의 차이를 초래합니다. 코팅 공정 중 장비 정밀도 및 슬러리 유동성의 영향으로 인해 코팅 두께가 일정하지 않을 수 있습니다.
예를 들어, 코팅이 너무 두꺼운 영역에서는 리튬 이온의 삽입 및 탈리 경로가 길어져 반응 속도가 감소하여 셀 용량에 영향을 미칩니다. 반대로, 코팅이 너무 얇은 영역에서는 전극의 유효 반응 면적이 감소하여 용량이 감소합니다.

2. 캘린더링 밀도 변동

과도한 압축은 전극 재료 구조를 손상시킬 수 있으며(흑연층 파손 등), 리튬 이온 확산 효율을 감소시킵니다. 불충분한 압축은 단위 부피당 활성 물질의 양을 감소시킵니다.
캘린더링 공정 중 압축 밀도의 변동은 전극 기공률과 내부 저항에 영향을 미칩니다. 압축 밀도가 너무 높으면 전극 재료의 기공률이 감소하고 리튬 이온 확산 채널이 막혀 용량이 감소합니다. 압축 밀도가 너무 낮으면 단위 부피당 활물질 함량이 감소하고 셀 용량에도 영향을 미칩니다.

(2) 전해액 충전 및 밀봉 결함

1. 차이점 전해질 주입량

전해액 주입이 부족하면 전극판과 전해액 사이의 접촉이 불완전해져 이온 전달 속도에 영향을 미치고 용량 저하를 초래합니다.
전해질은 리튬 이온 이동의 매개체이며, 주입량은 셀 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 주입되는 전해질의 양이 부족하면 전극판과 전해질 사이의 접촉 면적이 감소하고 이온 전도가 느려지며 용량이 점차 감소합니다.

2. 밀봉 성능이 좋지 않음

습기나 불순물이 침투하면 전해질 내의 리튬염이 소모되고, 전극 계면의 안정성이 파괴되며, 용량 불일치가 심화됩니다.
밀봉 시, 밀봉 강도가 부족하면 외부 습기와 불순물이 셀 내부로 유입되어 전해액의 리튬염과 반응하여 리튬염을 소모시키고 전해액 성능을 저하시킬 수 있습니다. 또한, 습기와 불순물은 전극 계면의 안정성을 손상시켜 리튬 이온의 삽입 및 탈리에 영향을 미쳐 셀 간 용량 불일치를 심화시킵니다.

(3) 세포 등급 및 분류의 정밀도 부족

셀 등급 평가 과정에서 용량 및 내부 저항 등의 매개변수가 유사한 셀을 엄격하게 선택하지 않으면 배터리 팩 내 개별 셀의 초기 성능이 분산됩니다.
등급 분류는 셀 생산 공정에서 중요한 단계입니다. 충방전 시험을 통해 유사한 용량과 내부 저항을 가진 셀들을 선별하고 매칭합니다. 등급 분류의 정밀도가 부족하고 이러한 매개변수 차이가 큰 셀들을 함께 사용하면, 최종 팩의 초기 성능이 일정하지 않게 되어 사용 중 과충전 또는 과방전 문제가 발생하여 배터리 팩의 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

우리의 배터리 용량 등급 기계 고정밀 충전/방전 제어와 자동 분류 기능을 갖추고 있어 일관된 용량과 저항 매칭을 보장하여 탁월한 팩 성능을 제공합니다.

II. 재료 및 디자인 요소

(1) 전극재료 성능의 차이

1. 양극재

예를 들어, 3원 재료( 엔씨엠 ), 니켈, 코발트, 망간 비율의 변동 또는 인산철리튬의 결정 구조 차이( LFP ), 리튬 이온의 탈리 능력에 영향을 미칩니다.
양극재는 셀 용량을 결정하는 핵심 요소 중 하나입니다. 이러한 재료의 성능 차이는 셀 용량에 직접적인 영향을 미칩니다. 3원계 재료의 경우, 니켈-코발트-망간의 비율이 달라지면 결정 구조와 전기화학적 특성이 변하여 리튬 이온의 탈리(deintercalation)에 영향을 미칩니다. 리튬철인산철의 결정 구조 변화 또한 전기화학적 특성의 차이를 초래하여 셀 용량에 영향을 미칩니다.

2. 양극재

흑연과 실리콘 기반 소재의 혼합 비율이 불균일하거나 실리콘 입자의 팽창 계수가 다르면 사이클 중에 용량 감소 속도가 달라집니다.
충전 및 방전 중 음극 재료는 팽창 및 수축합니다. 이러한 성능 차이는 사이클 수명과 용량 일관성에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 흑연과 실리콘 기반 재료의 불균일한 혼합은 팽창 및 수축 불균일을 초래하여 사이클 성능에 영향을 미칩니다. 실리콘 입자의 팽창 계수 차이는 사이클 중 음극 재료의 구조적 손상 정도에 차이를 초래하여 용량 감소율의 차이를 초래합니다.

(2) 재료 매칭 및 제형 문제

1. 전해질과 전극 계면의 호환성이 좋지 않음

예를 들어, PC 용매는 흑연층 박리를 유발하거나 부적절한 비율을 유발할 수 있습니다. 접합재 / 전도성제 활성 물질의 활용이 감소합니다.
전해질과 전극 계면의 상용성은 셀 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 상용성이 낮으면 전극 구조가 손상되고 리튬 이온의 삽입 및 탈리를 방해하여 활물질 활용도가 감소할 수 있습니다. 예를 들어, PC 용매는 유전율이 높고 점도가 낮지만, 흑연층 박리를 유발하여 음극 성능을 저하시킬 수 있습니다. 바인더와 도전제의 비율이 적절하지 않으면 활물질 활용도와 용량이 저하됩니다.

2. 구조 설계 여유 부족

설계 시 적절한 용량 중복성이 확보되지 않으면 사이클 중에 제조 오류가 누적되어 저용량 셀이 먼저 고장납니다.
셀 설계 시에는 제조 공차와 성능 저하를 고려하여 충분한 용량 여유를 확보해야 합니다. 설계 여유가 충분하지 않으면 저용량 셀이 사이클 중에 과충전 또는 과방전 한계에 쉽게 도달하여 고장을 일으키고 팩의 전반적인 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

III. 사용 및 노화 요인

(1) 사이클 분해 메커니즘의 차이점

1. 음극 용해 및 붕괴

장기간 충전 및 방전하면 전이 금속 이온이 용해되어 리튬 이온 채널이 막히고 돌이킬 수 없는 용량 손실이 발생합니다.
사이클 동안 양극 재료의 구조 변화가 발생하고 전이 금속 이온이 전해질에 용해될 수 있습니다. 이러한 이온은 음극 표면에 침전되어 리튬 이온 채널을 막고 삽입/탈리 효율을 저하시켜 비가역적인 용량 감소를 초래할 수 있습니다.

2. 양극 SEI 필름의 두꺼워짐

반복적인 사이클로 인해 양극 표면의 고체 전해질 계면(SEI) 필름이 지속적으로 성장하여 활성 리튬을 소모하고 내부 저항이 증가하여 유효 용량이 감소합니다.
SEI 필름은 양극을 추가적인 전해질 감소로부터 보호하지만, 사이클이 계속될수록 두꺼워져 활성 리튬을 소모하고 저항이 증가하여 셀의 유효 용량이 낮아집니다.

(2) 리튬 도금 및 계면 부반응

1. 리튬 도금

저온 충전, 과충전 또는 고전류 충전은 양극 표면에 리튬 침전을 유도하여 활성 리튬을 소모하고 용량 감소를 가속화합니다.
저온, 과충전 또는 고전류 조건에서는 리튬 이온이 음극 표면에 삽입되는 속도가 확산 속도를 초과하여 금속 리튬이 석출될 수 있습니다. 이를 리튬 도금이라고 합니다. 이러한 현상은 활성 리튬을 소모하고 내부 저항을 증가시키며 충방전 효율을 저하시킵니다.

2. 전해액 분해 생성물에 의한 분리막 기공 막힘

전해질 분해 산물(예: LiF)은 분리막 기공을 막아 이온 전달을 방해합니다. 사이클 중 전해질 분해로 인해 부산물이 생성되어 분리막 기공을 막아 이온 전달을 방해하고 셀 성능을 저하시킬 수 있습니다.

(3) 사용내역의 영향

과방전, 고온 보관 및 기타 부적절한 작동은 셀 노화를 가속화합니다. 새 셀과 오래된 셀이 섞이면 용량 차이가 크게 커집니다.
셀의 사용 이력은 성능과 용량에 큰 영향을 미칩니다. 과방전이나 장기간 고온 보관과 같은 부적절한 작동은 노화와 용량 저하를 가속화합니다. 새 셀과 노후 셀을 혼합하면 성능 차이가 크게 발생하여 용량 편차가 커지고 과충전 또는 과방전 가능성이 높아져 팩 성능과 수명이 저하됩니다.

IV. 환경 및 외부 요인

(1) 온도 분포 불균일

팩의 가장자리와 중앙에 위치한 셀은 방열 조건이 서로 다릅니다. 고온 영역에서는 셀 노화가 가속화되고(예: 전해액 분해 속도 증가) 용량이 더 빨리 감소합니다.
온도는 셀 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 배터리 팩에서는 냉각 조건의 차이로 인해 온도 분포가 불균일하면 고온 영역에서 배터리 성능이 더 빠르게 저하됩니다.

(2) 자가방전율 차이

자가방전율이 다른 셀(예: 불순물 함량이 높은 셀)은 장기간 보관 후 충전 상태(SOC)가 달라지므로 충전 및 방전 시 용량 차이가 발생합니다.
자가방전은 저장 중 자발적으로 전하가 손실되는 현상입니다. 자가방전율의 차이는 SOC 차이를 유발하여 사용 중 용량 특성의 차이를 초래합니다.

(3) 열 관리 실패

냉각 설계가 부족하면 국부 과열로 인해 내부 저항이 증가하고, 충전/방전 효율이 떨어지며, 용량 활용도가 낮아집니다.
열 관리는 팩이 적절한 온도 범위 내에서 작동하도록 보장합니다. 열 방출이 부족하면 국부 과열, 저항 증가, 효율 저하, 용량 활용률 감소가 발생합니다.

V. 결론

셀 용량 차이는 다음의 결합 효과의 결과입니다. 제조 공정 변동 (코팅/주입 정확도), 본질적인 재료 속성 (전극 활물질 성능), 사용 및 노화 메커니즘 (사이클 저하 경로) 및 환경 불균형 (온도/자체방전).
셀 용량의 일관성을 개선하기 위해 다음과 같은 접근 방식을 취할 수 있습니다.

1. 제조 일관성 개선:

고정밀을 사용하세요 전극 코팅기 코팅 및 전해액 주입 정확도를 높이기 위한 자동 분류 공정을 적용합니다. 용량 및 내부 저항 매개변수가 유사한 셀들을 엄격하게 매칭합니다.

2. 재료와 디자인을 최적화하세요.

부반응을 억제하고, 전해질-전극 호환성을 개선하고, 전극 소재 성능을 향상시키기 위해 고체 전해질을 개발합니다.

3. 배터리 관리 시스템(BMS) 강화:

능동적 밸런싱 기술을 적용하여 용량 차이를 보상하고, 각 셀의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 충전/방전 전략을 신속하게 조정하여 팩 성능과 안전성을 보장합니다.

결론적으로, 리튬 배터리 셀의 용량 차이의 원인에 대한 심층적인 연구와 효과적인 개선 대책의 실행은 배터리 팩의 성능과 안전성을 향상시키는 데 매우 중요합니다.