LiFePO4 배터리 양극 조성이 배터리 성능에 미치는 영향 모델링

Abstract

풍력 발전이나 태양광 발전 같은 신재생 에너지가 화석연료 고갈과 지구 온난화 문제로 인해 크게 각광을 받고 있다. 하지만 신재생 에너지는 일정하지 않은 전력생산과 낮은 에너지 밀도로 인해 전력효율이 떨어진다. 따라서 전력효율 극대화를 위해 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)의 개발이 필요하다. 에너지 저장 시스템은 이차전지를 이용하여 전력이 남을 때 전기에너지를 저장하거나 필요할 때 저장한 전기에너지를 사용하도록 하는 기술을 의미한다. 리튬 이온 배터리는 다른 이차전지들에 비해 높은 에너지 저장밀도와 긴 수명 등의 장점으로 에너지 저장 시스템의 주요한 에너지원의 후보로 여겨지고 있다. 리튬 이온 배터리 중 LiFePO4배터리는 낮은 비용, 비 독성, 그리고 열적 안정성으로 인해 에너지 저장 시스템에 적합한 후보로 주목을 받고 있다. 하지만 LiFePO4는 그 구조적 특징 때문에 낮은 전도성을 가지고 있어서 이를 개선시키기 위해 도전재를 첨가한다. 그러나 너무 높은 도전재의 비율은 총용량을 감소시키기 때문에 LiFePO4양극의 활물질과 도전재, 그리고 바인더의 비율은 중요하며 에너지 저장 시스템에 맞는 최적화된 양극조성이 필요하다. 또한 에너지 저장 시스템용 배터리는 그 용도로 인해 충방전 사이클 수명과 저장수명이 중요하다. 모델링을 통해 그 수명을 예측하여 에너지 저장 시스템을 더욱 효율적으로 관리할 수 있다.

본 연구에서는 리튬이온배터리의 양극 활물질이 LiFePO4,인 배터리의 양극조성에 따른 성능을 실험한 결과와 모델링 결과를 비교하였다. LiFePO4 배터리의 양극을 구성하고 있는 양극 활물질, 도전재 그리고 바인더의 조성비 변화에 따른 C-rate별 실험을 수행하였으며 충방전 사이클 및 저장 온도조건에 의한 용량감소 실험을 하였다. 또한 LiFePO4 배터리 양극 조성에 따른 방전 거동과 충방전 수명 및 저장수명을 예측할 수 있는 모델링 프로그램을 개발하였다. 모델링 결과와 실험결과의 비교를 통한 프로그램의 타당성 및 정확성을 검증하였다. 모델링 결과에 근거하여 LiFePO4 배터리 양극 조성이 방전 거동에 미치는 영향과 충방전 사이클 및 저장 온도조건이 수명에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 그리고 모델링 결과에 근거하여 에너지 저장 시스템용 LiFePO4 배터리의 개발과 관리에 활용할 수 있다.