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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 2020 년 8 월 석사학위논문 55kWh 급전기차용 리튬이온전지의양극활물질에 따른전지성능비교분석 조선대학교대학원 기계공학과 최희원

3 55kWh 급전기차용 리튬이온전지의양극활물질에 따른전지성능비교분석 Comparative analysis on the battery performance according to positive electrode active material for the 55kWh class electric vehicle lithium-ion battery 2020 년 8 월 28 일 조선대학교대학원 기계공학과 최희원

4 55kWh 급전기차용 리튬이온전지의양극활물질에 따른전지성능비교분석 지도교수박정수 이논문을공학석사학위신청논문으로제출함 2020 년 5 월 조선대학교대학원 기계공학과 최희원

5 최희원의석사학위논문을인준함 위원장조선대학교교수김창래 ( 인 ) 위원조선대학교교수이성준 ( 인 ) 위원조선대학교교수박정수 ( 인 ) 2020 년 6 월 조선대학교대학원

6 목 차 LIST OF TABLES iv LIST OF FIGURES v ABBREVIATIONS & NOMENCLATURES vii ABSTRACT ix 제 1 장서론 1 제 1 절연구배경및구성 1 1. 연구배경 1 2. 연구목적 3 3. 논문구성 6 제 2 절리튬이온배터리이론 8 1. 배터리의구조및작동원리 8 2. 배터리의종류 배터리의구성 배터리의작동온도범위 양극활물질의종류및특징 13 가. 층상구조 14 (1) LiCoO 2 14 (2) Li[Ni,Co,Mn]O 2 14 (3) Li[Ni,Co,Al]O 2 14 나. 올리빈구조 15 - i -

7 (1) LiFePO 4 15 다. 스피넬구조 15 (1) LiMn 2 O 4 15 제 3 절 EV 구조및주행사이클 EV의구조 주행사이클의종류및특징 17 제 2 장연구방법 19 제 1 절시뮬레이션모델구축 배터리셀 배터리팩 EV 23 제 2 절배터리셀실험 실험장치 실험방법 27 제 3 장연구결과및고찰 29 제 1 절양극활물질종류에따른배터리셀특성해석 C-rate 조건에따른배터리방전성능 29 가. 용량손실 29 나. 온도변화 온도조건에따른배터리방전성능 33 - ii -

8 가. 용량손실 33 나. 온도변화 34 제 2 절양극활물질종류별배터리팩에따른 EV 특성해석 주행사이클적용에따른배터리모델의특성비교분석 36 가. SOC 36 나. 배터리무게 37 다. 용량손실 38 제 3 절배터리셀단위실험결과비교분석 용량손실 온도변화 41 제 4 장결론및향후과제 43 Reference 45 - iii -

9 LIST OF TABLES Table 1. Driving cycle data 18 Table 2. LIB electrochemical governing equations 19 Table 3. Battery Cell Discretization 20 Table 4. Battery cell materials properties 21 Table 5. Battery cell specification and operating conditions 21 Table 6. The number of cells in a 55kWh battery pack for EV 23 Table 7. EV Model specification 24 Table 8. Comparison of battery characteristics according to different positive elect rode active materials (a) Results of battery cell, (b) Results of battery p ack mounting on EV 43 - iv -

10 LIST OF FIGURES Figure 1. EV Market share forecast from 2015 to 2040 (a) Comparison of sales volume by vehicle type, (b) Sales volume of ICEV and EV by year 1 Figure 2. Electric vehicle battery cost composition 3 Figure 3. Characteristics of Positive electrode and Negative electrode materials of LIB 3 Figure 4. Tesla electric vehicle fire accident 4 Figure 5. Characteristics According to Metal Composition ratio of Nickel, Cobalt, and Manganese of Ternary System NCM battery 4 Figure 6. Flow chart of the Study 6 Figure 7. LIB operation principle 8 Figure 8. Composition of Positive electrode 9 Figure 9. Type of battery (a) Cylindrical, (b) Square, (c) Coin, (d) Pouch 10 Figure 10. Cell, Module and Pack unit of LIB 11 Figure 11. Optimum operating temperature range for LIB 12 Figure 12. Crystal structure of the three lithium-insertion compounds in which the Li+ ions are mobile through the 2-D (layered), 3-D (spinel) and 1-D (olivine) frameworks 13 Figure 13. Structure of EV 16 Figure 14. Type of Driving cycle (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 17 Figure 15. Battery cell Discretization direction (Thickness and Radial direction) 20 Figure 16. Battery cell CC-Discharge test set-up 21 Figure 17. EV model with electrochemical battery pack of GT-AutoLion 24 Figure 18. Experiment Set-up 25 Figure 19. Battery cell used in the experiment (a) cylindrical battery (LGDBHE21865), (b) Thermocouple attachment point for temperature - v -

11 measurement 26 Figure 20. Battery cell Charge and Discharge Test Procedure (Discharge at 0.2, 0.5, 1, and 2C-rate) 27 Figure 21. Battery capacity loss for each cathode material when discharged at different C-rates (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, (d) LMO 29 Figure 22. Battery temperature change according to application of each positive electrode material when discharging at different C-rates: When no thermal model is applied to (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 31 Figure 23. Battery temperature change according to application of each positive electrode material when discharging at different C-rates: When a thermal model is applied to (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 32 Figure 24. Battery capacity loss when discharged at 1C-rate at -20, -10, 0, 25, 45 C of (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 33 Figure 25. Battery temperature change when discharged at 1C-rate at -20, -10, 0, 25, 45 C of (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 34 Figure 26. Comparison of changes in battery SOC according to various driving cycles (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 36 Figure 27. Comparison of weight according to the application of each different positive electrode materials of the battery pack mounted in EV 37 Figure 28. Comparison of battery capacity loss according to various driving cycles (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 38 Figure 29. Comparison of capacity loss for cylindrical battery with NCM material according to different C-rate 40 Figure 30. Comparison of temperature change for cylindrical battery with NCM material according to different C-rate 41 - vi -

12 ABBREVIATIONS & NOMENCLATURES ICEV : Internal Combustion Engine Vehicle ( 내연기관자동차 ) HEV : Hybrid electric vehicle ( 하이브리드자동차 ) PHEV : Plug-in hybrid vehicle ( 플러그인하이브리드자동차 ) EV : Electric vehicle ( 전기자동차 ) LIB : Lithium-ion Battery ( 리튬이온배터리 ) LCO : Lithium cobalt oxide ( 리튬코발트산화물 ) NCM : Nickel cobalt manganese ( 니켈코발트망간 ) NCA : Nickel cobalt aluminium ( 니켈코발트알루미늄 ) LFP : Lithium iron phosphate ( 리튬인산철 ) LMO : Lithium manganese oxide ( 리튬망간계산화물 ) TCB : Thermally coupled battery ( 열결합배터리 ) Ni : Nickel ( 니켈 ) Co : Cobalt ( 코발트 ) Mn : Manganese ( 망간 ) Al : Aluminum ( 알루미늄 ) CC : Constant current ( 정전류 ) CC-CV : Constant current-constant voltage ( 정전류-정전압 ) FTP-75 : Federal test procedure ( 도심주행모드 ) HWFET : Highway fuel economy test ( 고속도로주행모드 ) WLTC : Worldwide harmonized light-duty vehicle test cycle ( 국제표준주행모드 ) US06 : United states ( 최고속 급가감속주행모드 ) : Distance in the thru-plane direction ( 관통면방향의거리 ) : Solid phase conductivity ( 고체상전도도 ) : Solid phase potential ( 고체상전위 ) : Liquid phase potential ( 액체상전위 ) : Specific interfacial area ( 비표면적 ) : Specific capacitance ( 비정전용량 ) - vii -

13 : Reaction current of Li ( 반응전류 ) : Electrolyte effective ionic conductivity ( 전해질유효이온전도도 ) : Effective diffusional conductivity ( 유효확산전도도 ) : Li+ concentration in the electrolyte ( 전해질의 Li+ 농도 ) : Li+ concentration in solid ( 고체의 Li+ 농도 ) : Porosity ( 다공성 ) : Electrolyte phase Li Diffusion coefficient ( 전해질상 Li 확산계수 ) : Transference number ( 이온의전달수 ) : Faraday's constant ( 페러데이상수 ) : Particle radius ( 입자반경 ) - viii -

14 ABSTRACT Comparative analysis on the battery performance according to positive electrode active material for the 55kWh class electric vehicle lithium-ion battery Choi, HeeWon Advisor : Prof. Park, Jungsoo, Ph.D. Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School of Chosun University As the demand for EVs has recently increased, the importance of LIB used as a power source for EVs has also increased. The positive electrode material, which is one of the four elements constituting the LIB, is an important factor influencing the performance of the battery by determining the capacity and power of the battery according to the applied material. Therefore, in this study, NCM, LFP, and LMO, which are used as representative positive electrode materials, are applied to the battery cells, and further, the battery characteristics at the system level according to the application of different positive electrode materials are compared and analyzed. To this end, Each of the cylindrical battery cells was modeled by applying different positive electrode active materials. Battery modeling was based on a database provided by Gamma Technologies' LIB simulation, GT-AutoLion. In order to analyze thermal stability and capacity loss according to the temperature of the battery cell by applying different C-rate discharge and temperature conditions by for each positive electrode active material, an electrochemical-based 0D analysis was performed. In the simulation, the analytical temperature was set at room temperature so that the battery could - ix -

15 perform optimally. Lumped battery pack modeling was performed to extend the modeled battery cell to an EV battery pack. At this time, the battery pack was modeled by individual applying NCM622, NCM811, LFP, and LMO positive electrode active materials in accordance with the capacity standards required by the target EV. The modeled battery pack was combined with GT-Suite, a 1D-based automotive comprehensive simulation software, to build an EV model. The constructed EV model applies the drive cycle measurement method such as FTP-75, US06, and WLTC, etc. to measure fuel efficiency by assuming an environment similar to the actual operating conditions. after that time, EV models equipped with battery packs to which different positive electrode active materials were applied were comparative analysis and verified for reliability. In addition, using the MACCOR 4300 battery charger/discharger, Different C-rate discharge tests of the battery cells were performed under the same temperature conditions as the simulation. the validity of the simulation was verified through this battery cell experiments. - x -

16 제 1 장서론 제 1 절연구배경및구성 1. 연구배경 (a) (b) Figure 1. EV Market share forecast from 2015 to 2040 [1] (a) Comparison of sales volume by vehicle type, (b) Sales volume of ICEV and EV by year 최근환경문제가이슈화되면서자동차산업또한변화하고있다. 에너지 시장조사업체인블룸버그신에너지파이낸스 (BNEF : Bloomberg New Energy Finance) 의 2019 년전기자동차의전망에대한조사 [1] 에따르면 Figure - 1 -

17 1. (a) 와같이기존자동차시장에서가솔린및디젤등과같은내연기관자동차 (ICEV : Internal Combustion Engine Vehicle) 들이 90% 가넘는비중을차지하고, 전기자동차의경우 2017년까지의판매량이수천대규모정도로판매비중이매우저조한것을확인할수있다. 그러나최근환경규제가강화됨에따라친환경차인 xev에대한개발이증가하면서 2018년에는 200만대이상이판매되어 2017년까지의판매량보다급격하게증가한것을확인할수있다. 이러한증가추세는지속적으로성장하여 2040년에는 ICEV의판매량이감소하고, 반면에 Figure 1. (b) 와같이전기자동차의판매량이증가하여자동차시장에서전기자동차의판매비중이약 55% 을차지할것으로추정하였다. 이는 2040년기준으로 5,600만대수준이다. xev의수요가증가함에따라전세계의자동차기업에서도최신트렌드에맞춰 GM-Volt, HYUNDAI-Ioniq/ Ko na, KIA-Soul/ Niro, TOYOTA-Prius 및 HONDA-Accord 등의다양한양산형 HEV 및 EV를출시하고있다. 친환경차인 xev는차량의에너지원으로화석연료와전기를사용하여배기가스배출량을현저히저감시킨하이브리드자동차 (HEV : Hybrid Electric Vehicle), 플러그인하이브리드자동차 (PHEV : Plug-in Hybrid Vehicle) 와전기만을사용하여무공해차량으로불리는전기자동차 (EV : Electric Vehicle) 등으로구분된다. 화석연료에서발생하는열에너지를동력원으로사용하는내연기관자동차와달리 EV는전력공급원으로부터공급받은전기에너지를동력원으로사용한다. 전력공급원은리튬이온배터리 (LIB : Lithium Ion Battery) 가사용되고있다. LIB는기존에휴대폰, 노트북및카메라등과같은소형휴대용장치 (Portable device) 에서주로활용하였지만최근에는중 대형의 EV 및에너지저장장치 (ESS : Energy Storage System) 등으로확대되면서중요성이점차증대되고있는추세이다. 이로인해배터리의열관리를위한냉각방법에관한연구 [2], 배터리의출력을향상시키기위한소재개발 [3-5], 사용시간과관련된배터리의수명 (SOH : State of Health) 에관한연구 [6], 성능과관련된배터리의잔존용량 (SOC : State of Charge) 추정관련연구 [7] 등다양한측면에서활발하게 LIB에관한연구가진행되고있다

18 2. 연구목적 LIB는양극, 음극, 분리막및전해질 4대요소로구성되며, 그중양극은배터리의소재비에서약 36% 의높은비중을차지하는핵심소재이다. (Figure 2) 양극이소재비에서높은비중을차지하는이유는배터리의전극반응에관여하는물질인양극활물질때문이다. 양극활물질은금속성분에따라분류되어층상구조를가진리튬코발트산화물 (LCO), 니켈코발트망간 (NCM), 니켈코발트알루미늄 (NCA) 과올리빈구조를가진리튬인산철 (LFP), 스피넬구조를가진리튬망간계산화물 (LMO) 등으로구분된다. Figure 2. Electric vehicle battery cost composition [8] Figure 3. Characteristics of Positive electrode and Negative electrode materials of LIB [9] - 3 -

19 Figure 3에서는각양극활물질종류에따른에너지, 열적안정성, 가격및수명등과같은배터리특성을보여준다. EV에적용되는배터리는고용량, 장수명, 저렴한가격, 경량화, 고안전성등을요구한다. 특히 Figure 4와같이사고발생시큰안전사고로이어질수있으므로안전성강화는필수이다. Figure 4. Tesla electric vehicle fire accident [10] Figure 5. Characteristics According to Metal Composition ratio of Nickel, Cobalt, and Manganese of Ternary System NCM battery 기존에는 LIB 의양극활물질로주로양호한에너지용량및수명특성으로 인해 LCO 를사용하였지만, 현재는고가인코발트 (Co) 의함량을낮추어 LCO 보다저렴한비용및우수한열적안정성등과같은장점으로인해 NCM 으 - 4 -

20 로대체되는추세이다. Figure 5는 NCM 소재의삼성분계를나타내며니켈과 (Ni) 코발트 (Co), 망간 (Mn) 의금속간의조성비율에따라서출력특성, 용량및경제성등의배터리의특성이결정된다. NCM은 Ni, Co, Mn의조성비에따라다음과같이분류된다. 먼저 NCM111(Ni 33%, Co 33%, Mn 33%) 부터 NCM523(Ni 50%, Co 20%, Mn 30%), NCM622(Ni 60%, Co 20%, Mn 20%) 까지현재상용화되어사용하고있으며, Ni의함량을더욱증가시킨 NCM811(Ni 80%, Co 10%, Mn 10%) 과 Ni의함량이 90% 이상되는하이니켈계양극재에대한연구가활발하게진행되고있다. Ni의함량을증가시킬수록에너지용량이증가하고, 비교적고가인 Co의함량이감소되어원가절감이가능한장점이있으나충 방전반복시용량감소및열적안정성, 부반응과구조붕괴로인한전기화학적성능이감소한다는단점이있다. 이를해결하기위해도핑및코팅, 표면개질을통한열적안정성과전기화학적성능향상에대한연구 [11-16] 및 NCM을대체할수있는양극활물질 LFP 및 LMO 등에대해서도지속적으로연구가진행되고있다. LFP은기존에양극활물질의재료로주로이용하고있는 Co대신환경친화적인철 (Fe) 을사용하기도한다. 이는가격이저렴하고, 수명특성및안전성이우수하다는장점을가지고있으나, 전자전도도가낮은단점을가지고있어도핑및나노입자화, 입자표면에탄소막 (Carbon) 코팅을통해전기화학적성능을개선시키는연구가진행되고있다.[17-22] LMO 또한양극활물질로 Mn을사용함으로써저렴한가격과친환경적이며, 구조적으로안정성이우수하며, 높은작동전압등의장점을가지고있다. 그러나고온에서구조적불안정성및 Mn 용출등의문제로인하여용량이감소하는단점이있어, 이를해결하기위해표면코팅및이종금속도핑, 다른양극활물질과혼합등과같은연구가지속적으로진행되고있다.[23-28] 이와같이양극활물질은배터리에서가장중요한용량과출력을결정하여, 어떤양극활물질을적용했는지에따라배터리의성능이달라지므로매우중요하다. 따라서, 본연구에서는현재가장많이사용되고있는 NCM과 NCM보다용량및에너지부분에서는낮지만, 경제성과안전성이우수한 LFP 및 LMO 등의다양한양극활물질을적용하여전기화학을기반으로배터리셀부터팩나아가 EV까지확장하여배터리특성을비교분석하고자한다

21 3. 논문구성 Figure 6. Flow chart of the Study - 6 -

22 본연구과정을 Figure 6 에나타내었으며, 본논문의장구성은다음과같다. 1장 1절에서는연구의배경및목적과간략한개요가제공된다. 2절에서는연구관련하여기본이론배경들을다음과같이소개한다. 배터리의구조및작동원리 배터리의종류및단위 배터리의작동온도범위 양극활물질의종류및특징 (LCO, NCM, NCA, LFP, LMO) EV 구조, 주행사이클종류및특징 2장 1절에서는시뮬레이션모델과실험진행에대한연구방법이제공된다. 시뮬레이션에서는전기화학기반의 LIB 모델링을할수있는 GT-AutoLion 소프트웨어 (0D) 를사용하여배터리셀모델을먼저구축한후, 배터리셀의결과를사용하여 EV용배터리팩모델로확장시킨다. GT-AutoLion을사용하여구축된 EV용배터리팩과자동차플랫폼의 GT-Suite 소프트웨어 (1D) 을결합하여 EV 모델을구축한다. 2절에서는시뮬레이션모델의타당성을검증하기위한 NCM 양극활물질이적용된 원통형배터리의실험방법및진행절차에대해제공된다. 배터리셀및 EV 모델구축시상이한양극활물질적용에따른배터리의성능을비교분석하기위해다음과같은조건을적용하였다. 배터리셀 : 상온에서상이한 C-rate에서의방전테스트와상이한온도조건에서 1C-rate으로방전테스트, 2가지의다른방전조건에서해석을진행함 EV : 신뢰성검증을위한상이한실제도로주행사이클을적용하여시스템레벨에서해석을진행함 3장에서는상이한양극활물질적용에따른배터리성능비교분석결과가제공된다. 1절에서는시뮬레이션배터리셀모델에서의 2가지조건적용에따른결과, 2절에서는시뮬레이션 EV 모델에서의상이한주행사이클을적용시 EV에탑재된배터리모델의성능결과, 3절에서는실험및시뮬레이션의배터리셀모델결과비교로구분된다. 4장에서는연구결과를요약하고향후연구의방향성에대해간략하게제안한다

23 제 2 절리튬이온배터리이론 1. 배터리의구조및작동원리 Figure 7. LIB operation principle [29] LIB는양극과음극물질의전기화학적산화 환원반응에의해화학에너지를전기에너지로변환시키는장치이다. 반응물간의전자이동으로발생하는반응을산화 환원반응이라고하며산화는전자를잃은것, 환원은전자를얻은것을의미한다. LIB는리튬이온의제공및저장하는역할을하는양극 (Positive electrode or Cathode) 및음극 (Negative electrode or Anode), 양극과음극의물리적접촉을방지하기위해분리시켜주는역할을하는분리막 (Saparator) 그리고리튬이온이양극과음극을이동할수있도록통로역할을하는전해질 (Electrolyte) 4가지핵심소재로구성되어있다

24 Figure 8. Composition of Positive electrode [30] 양극및음극은알루미늄 (Al) 및구리 (Cu) 기재와합제로이루어져있으며, 기재의양쪽표면에는합제 ( 활물질 + 도전제 + 바인더 ) 가 Figure 8과같이코팅되어있다. Figure 7과같이방전시에는음극에서리튬이온은전해질을통해양극으로이동하게되고, 리튬이온과분리된전자는외부회로의 Power source 를경유하여양극으로이동한다. 반대로충전시에는양극에서리튬이온및전자가음극으로이동하여배터리의충 방전이진행되는것이다

25 2. 배터리의종류 (a) (b) (c) Figure 9. Type of battery (a) Cylindrical, (b) Square, (c) Coin, (d) Pouch [31] (d) LIB는형태에따라서 Figure 9와같이원통형, 각형, 코인및파우치형으로구분된다. EV에는주로원통형, 각형및파우치형배터리가사용된다. 원통형의경우, 캔의형태를가지고있으며, 생산비용이각형및파우치형보다가장저렴하고수급이용이한장점을가지고있다. 이로인해 EV뿐아니라휴대기기, 노트북, 청소기및전동공구등다양한기기에서기존부터사용되어안정성이검증되어있다. 그러나작은크기로인하여 EV에적용시다량의배터리가필요하다. 대표적으로테슬라에서원통형배터리를사용하고있으며모델 S, X 및 3 차종에탑재되어있다. 각형의경우, 각기둥형금속캔의형태를가지고있어내구성이우수하고, 생산비용이파우치형에비해저렴한특징을가지고있으며, 대량생산이용이한장점을가지고있다. BMW에서각형배터리를주력으로사용하고있으며 i3 및 i8 차종에탑재되어있다. 파우치형의경우, 알루미늄호일에배터리구성물들이싸여있는파우치

26 형태를가지고있으며, 높은에너지밀도와가벼운무게와높은설계자유도로인해다양한형태및크기로배터리제작이가능한장점을가지고있다. 현대, GM 및재규어등의자동차업체들이파우치형배터리를사용하고있으며코나, 아이오닉, 볼트, I-페이스등의차종에탑재되어있다. 3. 배터리의구성 Figure 10. Cell, Module and Pack unit of LIB [32] EV에탑재되는배터리는 Figure 10과같이배터리셀, 모듈및팩으로구성되어있다. 배터리에서가장최소단위가배터리셀이며, LIB의 4대핵심요소인양극, 음극, 분리막, 전해질로구성되어있고, 종류로는 1장배터리의종류에소개된것과같이배터리셀은원통형, 각형, 파우치형으로형태에따라구분된다. 이러한배터리셀을열, 진동및외부충격등으로부터배터리를보호하기위해프레임안에다수의배터리셀을직렬혹은병렬연결하여조립한것이배터리모듈이다. 직렬및병렬연결로구성된배터리모듈과배터리의온도및전압등을관리해주는배터리관리시스템 (BMS : Battery

27 Management System), 냉각시스템및제어 보호시스템등을장착하여배터리팩을제작한다. 이렇게만들어진배터리팩을 EV에최종적으로탑재하게된다. 이와같이팩형태를 EV에탑재하므로기존에는배터리셀레벨에서연구가많이진행되었지만, 최근에는배터리모듈과팩레벨에서의효율및성능을향상시키는연구가활발하게진행되고있다.[33-35] 4. 배터리의작동온도범위 Figure 11. Optimum operating temperature range for LIB [37] LIB는화학적인충전과방전과정으로작동되므로온도의영향을많이받는다. LIB는방전시일반적으로 20~60 C까지가사용가능한온도영역이다.[36] 그러나 Pesaran 외의연구보고에따르면 LIB가최적의성능을낼수있는작동온도범위는 Figure 11과같이 15~35 C이다.[37] 일반적으로배터리에영향을미치는작동온도의영향은고온과저온 2가지로구분될수있다. [38,39] 주로저온에서는외부환경온도에더민감하다. 저온의경우전해질의점도가증가하면서이온전도성이감소하게되고, 전하전달저항의증가및리튬이온의느린확산속도등과같은요인으로인하여 LIB의성능에악영향을미친다.[40] 반면에고온에서는환경온도의영향보다는배터리의내부온도가증가하는경우에더민감하다. 고온의경우충전및방전과정에서

28 배터리내부의열생성으로인해발생하게되고, 이로인해배터리의용량과전력이손실된다.[41] 또한자기발열반응에의해온도가급격하게상승하게되면열폭주 (Thermal runaway) 현상으로인해배터리가폭발및화재사고가발생하게된다.[42] 따라서온도의영향을많이받는 LIB를최적의작동온도유지를위해열관리에대한연구들이활발하게진행되고있다.[43-45] 5. 양극활물질의종류및특징 LIB의구성요소가운데배터리의소재비에서가장높은비중을차지하고있는양극활물질은배터리의용량및출력을좌우하는매우중요한요소이다. 이러한양극활물질은금속염의구성성분에따라크게 LCO, NCM, NCA, LFP, LMO 5가지종류로구분되고, 구조에따라 Figure 12와같이층상, 올리빈, 스피넬구조로구분된다. Figure 12. Crystal structure of the three lithium-insertion compounds in which the Li+ ions are mobile through the 2-D (layered), 3-D (spinel) and 1-D (olivine) frameworks [46]

29 가. 층상구조 (1) LiCoO 2 LiCoO 2 (LCO) 는 CoO 2 층과 Li층이연속으로교차되는층상의 α-nafeo 2 구조를가지고있다.[47] LCO는 Co의비싼원료가격에도불구하고, 제조가쉬워대량생산이용이하고, 높은용량, 안전성및신뢰성으로인해 LIB의개발초기부터주요양극재로사용되어왔다. 그러나, 배터리가충전되기시작하면서 50% 이상의 Li+ 들이 LCO로부터탈리시구조의불안정성으로인해배터리의용량이절반정도밖에사용할수없으며, Co의높은가격으로인해배터리의제조비용감소및안정성강화를위해현재삼원계 NCM으로대체되는추세이다. (2) Li[Ni,Co,Mn]O 2 Hexagonal single-phase α-nafeo 2 구조를갖는 Li[Ni,Co,Mn]O 2 (NCM) 은 Ni과 Co, Mn의 3가지원소를기반으로한삼원계양극재이다. Co의함량을낮추고 Ni을사용한 NCM은기존에주로사용되던 LCO보다우수한안정성과, 높은용량및수명, 저렴한가격등의장점으로인해중 대형장치에사용되는 LIB의주요양극재로사용되고있다. Ni, Co, Mn의조성비에따라서 NCM111, NCM523, NCM622, NCM811 등으로구분되며, Ni 함량이 90% 이상되는양극재도개발되고있다. EV에탑재하기위하여 Ni의함량을높이는방향으로활발하게연구가진행되고있다. 그러나 Ni 함량을증가시키면배터리의용량은증가시킬수있으나, Ni의높은반응성으로인한충 방전시다량의가스발생및잔류리튬으로인한안정성감소, 양이온혼합으로인한전기화학적성능저하등의단점을가지고있다. 이를해결하기위해표면개질, 도핑및코팅을통한전기화학적성능및열적안정성향상에대한연구가진행되고있다.[11-16] (3) Li[Ni,Co,Al]O 2 Li[Ni,Co,Al]O 2 (NCA) 는 Ni과 Co, Al의원소로구성되어있는삼원계양극재이다. NCA는타양극활물질보다높은용량과우수한출력특성의장점을가지고있으나, 과충전시구조붕괴로인한열적안정성저하, 낮은수명특성

30 의단점을가지고있다.[48,49] 이를해결하기위해금속물질도핑, 표면코 팅에대한연구가진행되고있다.[50-52] 나. 올리빈구조 (1) LiFePO 4 사방정계의올리빈구조를갖는 LiFePO 4 (LFP) 는 Co보다값이저렴한 Fe을사용하여친환경적이며, 우수한수명특성및충 방전시우수한구조적및열적안정성의장점을가지고있다. 그러나, 낮은전기전도도및느린 Li+ 확산속도의단점을가지고있다. 이를해결하기위해나노입자화, 도핑및입자표면에탄소막코팅등과같은연구가진행되고있다.[17-22] 다. 스피넬구조 (1) LiMn2O 4 입방정계의스피넬구조를갖는 LiMn2O 4 (LMO) 화합물에서산소는 ABCABC 골격의면심입방구조를형성하고있으며, Figure 12와같이 3차원적배열을이루고있다. Co 대신친환경적인 Mn을사용하여저렴한가격과높은출력, 충 방전시구조적안정성이우수한장점을가지고있으나, 충 방전시 Jahn-Teller distortion에의한구조변화및고온에서의 Mn 용출로인하여용량이감소하는단점을가지고있다. 이를해결하기위해혼합양극활물질, 표면코팅및이종금속도핑등과같은연구가진행되고있다.[23-28]

31 제 3 절 EV 구조및주행사이클 1. EV 의구조 Figure 13. Structure of EV [53] EV는열관리시스템 (Thermal System), DC-DC 컨버터 (DC-DC Converter), 모터 (Electric Traction Motor), 완속충전장치 (OBC : On Board Charger), 충전포트 (Charge Port), 변속기 (Transmission), 배터리팩 (Traction Battery Pack) 및파워일렉트로닉스컨트롤러 (PCU : Power Controller Unit or Power Electronics Controller) 등의주요부품으로 Figure 13과같이구성된다. 열관리시스템은배터리, 전기모터및기타구성품의적절한작동온도범위를유지해주는역할을담당한다. DC-DC 컨버터는구동용배터리팩의고전압 DC 전원을오디오및각종전자장비를작동및보조배터리를충전하는데필요한 12V의저전압으로변환시켜주는역할을한다. 모터는배터리팩의전원을사용하여차량바퀴를구동시킨다. 완속충전장치는외부에너지원으로부터전기에너지를공급받은 AC 전원을배터리팩을충전하기위해 DC 전원으로변환하여공급한다. 충전포트는배터리팩을충전하기위해외부전원공급장치에차량이연결될수있도록한다. 변속기는모터의회전을최적으로바퀴에전달하기위해탑재하는장치이다. 배터리팩은모터에서사용할전기에너지를

32 저장하는장치이며, Figure 13 과같이주로 EV 의차체하단에탑재된다. 파워 일렉트로닉스컨트롤러는배터리팩이전달하는전기에너지의흐름을관리하 여모터의속도와토크를제어하는역할을한다. 2. 주행사이클의종류및특징 (a) (b) (c) (d) Figure 14. Type of Driving cycle (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 Figure 14 는본연구에서사용되는 4 가지주행사이클이다. EV 의효율특성 은환경조건, 도로상황및다양한주행패턴등여러가지변수에의해크게

33 좌우된다. 각주행사이클의주행조건들이 Table 1 에요약되어있다. Table 1. Driving cycle data Driving cycle Time Distance Max. Speed Avg. Speed [s] [km] [km/h] [km/h] FTP HWFET WLTC US FTP-75는도심주행모드이다. 저속구간과중속구간으로나누어반복하여 1874초간계속속도를변화시켜가며테스트를진행한다. 주행코스는 17.8km 길이로구성되며이때, 최고및평균주행속도는 91.2km/h 및 34.2km/h이다. HWFET는고속도로주행모드이다. 고속구간에서 1874초간테스트를진행하며, 가감속의폭이작은것이특징이다. 주행코스는 16.5km 길이로구성되며이때, 최고및평균주행속도는 96.4km/h 및 77.7km/h이다. WLTC는국제표준주행모드이다. 저속 (0~589초), 중속 (589~1022초), 고속 (1022~1477초), 초고속 (1477~1800초) 으로평균차속에따라 4개의구간으로구분되어있는것이특징이다. 주행코스는 23.25km 길이로구성되며이때, 최고및평균주행속도는 131.0km/h 및 46.5km/h이다. US06은최고속 급가감속주행모드이다. 도심 1(0~130초 ), 고속 (130~495초), 도심 2(496~596초 ) 구간주행순으로총 596초간테스트를진행한다. 주행코스는 12.9km 길이로구성되며이때, 최고및평균주행속도는 129.0km/h 및 77.2km/h이다

34 제 2 장연구방법 제 1 절시뮬레이션모델구축 1. 배터리셀 배터리내부의화학적특성을고려하기위해 Gamma Technologies의 LIB 시뮬레이션소프트웨어인 GT-AutoLion을사용하여배터리셀을모델링하였다. GT-AutoLion 소프트웨어는배터리셀및팩개발을위한시뮬레이션도구들과전기화학소재데이터베이스들을제공하며 Thermally Coupled Battery(TCB) 모델링방식을사용한다. TCB 모델링방식은등온모델기반인 Doyle 외 [54] 모델과열커플링기반의 Gu 외 [55], Srinivasan 외 [56], and Smith 외 [57] 모델들을기반으로개발되었다. GT-AutoLion은다른배터리모델링의접근방법과달리완전히결합된전기화학및열방법을사용하는장점을가지고있다. 배터리셀의내부전기화학적반응은아래와같이 GT-AutoLion에서사용되는 Table 2에나와있는 4개의지배방정식에의해계산된다. Table 2. LIB electrochemical governing equations [58] Charge Conservation (1) Solid-Phase (2) Electrolyte-Phase ln Species Conservation (3) (4) Electrolyte-Phase Li+ Active Material Li

35 식 (1) 및 (2) 는고체상및전해질에서의전하보존을나타낸다. 식 (3) 은전해질상의 Li+ 종보존을제공하며, 식 (4) 는활성물질입자에서의 Li 확산을나타낸다. Newman이만든 P2D 모델은유한제어체적방식을사용하며, 배터리셀의지배방정식인식 (1)~(4) 를이산화하여모델링한다. 식 (1)~(3) 은음극과양극사이두께방향으로이산화되며, 식 (4) 의경우활물질입자의반경방향으로 Figure 15와같이일정한부피로이산화된다. Figure 15. Battery cell Discretization direction (Thickness and Radial direction) [58] 배터리셀모델구축시 Table 3 에정리된것과같이양극과음극에는 6 개 의원소, 분리막은 4 개의원소, 양극과음극의활물질에는 12 개의원소로이 산화하였다. Table 3. Battery Cell Discretization Cell Discretization Number of Elements Positive electrode 6 Separator 4 Negative electrode 6 Positive electrode Particle 12 Negative electrode Particle 12 GT-AutoLion 에서제공되는전기화학기반데이터베이스를사용하여 Figure 16 과같이양극활물질을상이하게적용하여배터리셀의정전류 (CC) 방전테 스트를진행하였다

36 Figure 16. Battery cell CC-Discharge test set-up Foil Table 4. Battery cell materials properties Positive Electrode Foil Negative Electrode Material Aluminum Material Copper Thickness 15 m Thickness 8 m Height 59.7 mm Height 59.7 mm Active Material Active Material Material NCM/LFP/LMO Material Graphite Density 4.8/3.6/4.28 g/cm3 Density 2.24 g/cm3 Weight Percentage 94% Weight Percentage 94% Conductive Agent Conductive Agent Material Carbon Material Carbon Weight Percentage 3% Weight Percentage 3% Binder Binder Material PVdF Material PVdF Weight Percentage 3% Weight Percentage 3% Table 5. Battery cell specification and operating conditions Type Diameter Height Positive electrode active material Negative electrode active material Capacity Discharge Cutoff Voltage Charge Cutoff Voltage Cylindrical 18 mm 65 mm NCM622/NCM811/LFP/LMO Graphite 2.2/2.1/1.4/1.5 Ah 2.5 V 4.2/4.2/3.65/4.2 V

37 배터리모델구축시 Table 4 및 5에서요약된것과같이 AutoLion 템플릿에배터리종류, 치수, 충 방전시컷오프전압, 양극, 음극, 분리막및전해질과같은소재관련물성데이터등과같은해석시필요한입력변수들을설정한다. 이때, 정확한소재의데이터베이스는높은정확도의해석결과를도출할수있다. 배터리셀방전시온도및 C-rate에따른영향을비교분석하기위해 18650타입의원통형배터리를사용하여해석을진행하였다. 4가지 (NCM622, NCM811, LFP 및 LMO) 종류의양극활물질을각각배터리셀에적용하여 5가지온도조건 (-20 C, -10 C, 0 C, 25 C, 45 C) 에서의 1C-rate 방전과상온 (25 C) 에서상이한 C-rate(0.5~5C-rate) 에따른방전테스트를통해온도및양극활물질의적용에따른배터리성능을분석하였다. 배터리의초기 SOC는 100% 로설정하였으며, 열모델을단순화시키기위해주변온도와초기온도를동일하다고가정하였다. 이때, 열모델은자연대류조건 (h=10w/m 2 K) 을적용하였다. 2. 배터리팩 앞서분석한배터리셀모델을 EV에탑재되는배터리팩모델로확장하였다. 환경온도는배터리의최적의성능을낼수있는 25 C에서해석을진행하였다. 배터리팩모델링시 GT-AutoLion에서제공되는 Lumped battery pack model 옵션을사용하여해석을진행하였다. 따라서, 본연구에서는배터리시스템이균일하므로모든배터리셀은동일한온도, 전류및전압을가진다고가정하였다. 필요한직렬셀의수는식 (5) 를통해계산하고, 알려진목표 EV 용배터리팩의에너지를통해병렬셀의수는식 (6) 을사용하여배터리팩을모델을구축하였다. (5) Number of series cells = V p /V c (6) E p = V p x I p 이때, 각각의양극활물질적용에따른배터리셀 (V c ) 과팩의전압 (V p ), 팩

38 용량 (I p ) 에대한데이터는 GT-AutoLion에서배터리셀을모델링한해석결과값을사용하였으며, 배터리팩의초기 SOC 조건은 80% 로설정하였다. 상이한양극활물질이적용된배터리셀은목표 EV의제원의배터리에너지용량인 55kWh에맞춰서각각배터리팩모델로확장되었다. Table 6에각양극활물질적용에따른 EV용배터리팩의직렬및병렬셀의수가요약되어있다. Table 6. The number of cells in a 55kWh battery pack for EV Positive electrode Number of Cells Number of Cells active material in series in Parallel NCM NCM LFP LMO EV 설계된배터리는시스템레벨의차량모델링을통해 HEV, PHEV의연비및배출가스, EV의배터리 1회충전시주행거리및최고속도와같은차량의성능특성, 다양한주행모드및환경조건을반영한테스트를시행하여보다높은신뢰성을얻을수있다. V-Elph 시뮬레이션소프트웨어를사용하여연구한 Butler 외 [59], GT-AutoLion 및 GT-Suite 시뮬레이션소프트웨어를결합하여새로운 CAE 방법을연구한 Wimmer 외 [60], AutoLion-ST를사용하여경상용차를주행조건에서성능분석을연구한 Sripad 외 [61] 가시스템레벨에서연구를진행하였다. 이와같이신뢰성을향상시키기위해서시스템레벨에서의모델링에관한연구가지속적으로진행되어왔다. 따라서, 배터리셀레벨이아닌시스템레벨수준으로봐야한다. 본연구에서는 0D 전기화학반응이고려된배터리모델과 1D 차량모델을결합하여시스템레벨에서배터리의특성비교분석을진행한다. Figure 17은 GT-AutoLion에서만들어진배터리팩을 1D 기반의 GT-Suite에결합하여만든 EV 모델을나타낸다. EV 모델은 Figure 17과같이 12V 배터리, 모터, DC-DC 컨버터, 배터리팩, 인버터, 모터및차량등으로구성된다

39 Figure 17. EV model with electrochemical battery pack of GT-AutoLion 이와같은 EV를구성하는요소의템플릿들을물리적으로연결시켜서모델을구축한다. 이때, 배터리팩의경우앞서목표 EV용에맞춰구축한 GT-AutoLion의배터리전기화학모델을결합한다. 최근주행거리향상을위해 EV에탑재되는배터리의용량을증가시키는추세이다. 이러한트렌드에맞춰본연구에서는양산형 EV인테슬라모델 3( 표준팩탑재시 ), 2020년출시예정인르노의조에 (ZOE) 3세대와동급인고용량 55kWh급배터리모델로선정하여해석을진행하였다. 해석시, 환경온도는 25 C로일정하다고가정하였다. EV 모델에들어가는구성요소들에대한데이터는 Gamma Technologies 에서제공되는데이터베이스를사용하였으며 Table 7에요약하였다. Table 7. EV Model specification [60] Vehicle Mass 1600 kg Vehicle Drag Coefficient 0.21 Vehicle Frontal Area 1.95 m 2 Tire Specification 215/50R17 Battery Pack energy 55 kwh Final Drive Ratio 7.05 Traction motor Maximum Brake torque 360 Nm Traction Motor Maximum Efficiency 97 % Traction motor Maximum Torque (Continuous) 300 Nm Traction motor Maximum Power RPM 구축된 EV 모델은실제운행조건과유사한환경을가정하여연비를측정 하는도심주행모드의 FTP-75 와고속도로주행모드의 HWFET, 국제표준주 행모드의 WLTC, 최고속 급가감속주행모드의 US06 4 가지측정방법을적용

40 하여상이한양극활물질 (NCM622, NCM811, LFP, LMO) 을각각적용한배터 리팩을 EV 모델에탑재하여배터리의특성을비교하고신뢰성을검증하고 자한다. 제 2 절배터리셀실험 1. 실험장치 코인셀테스트를통해개발된전기화학기반의해석소프트웨어인 GT-Auto Lion에서구축한 배터리모델이실제 배터리셀에적합한지확인하기위하여 4가지양극활물질중 NCM 양극활물질이적용된배터리의경향을예측하여타당성을검증하고자한다. Figure 18. Experiment Set-up

41 이에따라, 본연구에서는상이한방전속도에따른배터리셀의온도변화및용량손실을고찰하기위하여배터리셀충 방전실험을수행하였다. 실험을수행하기위하여 Figure 18과같은실험장비를활용하였다. Figure 18 에서 1번컴퓨터는 2번데이터로거와연결되어있어데이터로거를제어할수있으며, 온도데이터를실시간기록및수집하기위하여사용된다. 3번의컴퓨터는 4번 MACCOR 충 방전기와연결되어있어실시간모니터링이가능하며, 충전및방전조건들을설정및제어, 실험결과데이터를수집하기위하여사용된다. 일정한온도조건에서실험을수행하기위하여배터리테스트지그를 5번항온챔버안에설치하였다. 모든실험은상온인 25 C에서수행되었으며, 실험이진행되는동안일정하게유지된다. (a) (b) Figure 19. Battery cell used in the experiment (a) cylindrical battery (LGDBHE21865), (b) Thermocouple attachment point for temperature measurement Figure 19. (a) 는 LG-화학에서제조한 2.5Ah 용량의 원통형배터리셀 ( 양극활물질 : NCM, 음극활물질 : Graphite 적용 ) 을사용하였다. 배터리의외부표면온도를측정하기위하여 Figure 19. (b) 와같이데이터로거에장착된 T형열전대를 Kapton 테이프를사용하여배터리의표면에부착하였다. 배터리셀의상단, 중단및하단 [62] 각각 3개의지점에부착하여총 9개지점에서온도측정이진행되었다

42 2. 실험방법 Figure 20. Battery cell Charge and Discharge Test Procedure (Discharge at 0.2, 0.5, 1, and 2C-rate)

43 Figure 20은실험과정에대한개략도이다. 먼저배터리셀의충 방전실험을진행하기위하여 25 C로설정한챔버안에배터리를방치시켜둔다음설정온도에도달하면실험을진행하였다. 배터리셀의안정화를위하여휴지시간을 1시간으로설정하였다. 충전방식은정전류-정전압 (Constant Current-Constant Voltage : CC-CV) 방식을사용하였으며, 충전초기에는 0.5C의전류속도로충전상한전압인 4.2V에도달할때까지정전류 (Constant Current : CC) 충전방식으로진행되고, 이후정전압 (Constant Voltage : CV) 충전방식으로전류가감소하여 0.05A에도달하면충전이종료하게된다. 충전이완료되면휴지시간 2시간을거친후에 0.2C로 CC 방전을진행하여방전차단전압인 2.5V에도달하면방전이종료하게된다. 방전이완료되면충전완료시와마찬가지로 2시간의휴지시간을거친다. 이와같은방법으로 0.5C, 1C, 2C 순으로실험을수행하였다. 실험진행시완전충 방전과정이후휴지시간을 2시간으로설정하여, 충 방전과정에서발생하는열로인하여상승된배터리셀의내부및외부의온도를충분히안정시킬수있도록하였다. 해당실험은배터리셀당 3회를반복하여총 9회의평균값으로산정하였다

44 제 3 장연구결과및고찰 제 1 절양극활물질종류에따른배터리셀특성해석 1. C-rate 조건에따른배터리방전성능 가. 용량손실 Figure 21은상이한양극활물질이적용된배터리셀을 25 C 온도조건에서각각다른방전속도 (0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5C-rate) 로방전시용량손실에대한결과를나타내는그래프이다. 느린방전속도인 0.2 및 0.5C-rate에서는기존용량과대비하여 LFP 및 LMO에서 2.1, 3.0% 및 0.8, 1.4% 의용량감소가관찰되었으며, NCM622 및 NCM811의경우 4.1, 5.4% 및 2.7, 4.5% 로더크게감소하는것으로나타났다. 1C-rate에서는 LFP 및 LMO에서 4.7, 2.5% 의용량감소가관찰되었으며, NCM622 및 NCM811의경우 7.6% 및 7.1% 으로느린방전속도보다배터리의용량변화가더크게나타난것을확인할수있다. 빠른방전속도인 2~5C-rate의경우에도마찬가지로 LFP 및 LMO에서 7.7~15.8% (a) (b)

45 (c) (d) Figure 21. Battery capacity loss for each cathode material when discharged at different C-rates (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, (d) LMO 및 5.1~9.8% 의용량감소가관찰되었으며, NCM622 및 NCM811의경우 11.6~22.4% 및 11.4~21.6% 로용량감소폭이더크게나타났다. 이와같이방전속도가빠를수록배터리의용량손실또한급격하게증가함을확인할수있었다. 시뮬레이션결과, 방전속도가증가함에따른배터리의용량변화는 LFP 및 LMO보다 NCM계에서더크게나타났다. 나. 온도변화 Figure 22는상이한양극활물질이적용된배터리셀을 25 C 온도조건에서각각다른방전속도 (0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5C-rate) 로방전시온도변화에대한결과를나타내는그래프이다. 느린방전속도인 0.2 및 0.5C-rate에서는초기온도와대비하여 LFP 및 LMO에서는 0.8, 1.5 C 및 1.0, 1.9 C, NCM622 및 NCM811의경우 2.6, 5.7 C 및 1.8, 4.1 C로온도변화가크게나타나지않았다. 1C-rate에서는 LFP 및 LMO에서 2.5, 3.6 C, NCM622 및 NCM811의경우 10.3 C 및 8.0 C로느린방전속도보다온도가더크게증가하는것을확인할수있다

46 (a) (b) (c) (d) Figure 22. Battery temperature change according to application of each positive electrode material when discharging at different C-rates: When no thermal model is applied to (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 빠른방전속도인 2~5C-rate에서도마찬가지로 LFP 및 LMO 에서 5.0~12.6 C 및 7.5~19.4 C, NCM622 및 NCM811의경우 18.5~36.8 C 및 15.6~33.3 C로방전속도가증가함에따라온도변화또한크게나타났다. 방전속도에따른배터리의온도변화는배터리의내부열발생으로인한것으로추정된다.[41] Figure 23은열모델이적용되었을경우배터리의온도변화를나타낸그래프이다. Figure 22와 23에나타낸것과같이모든방전속도에서열모델의적용유무에따라배터리의온도가최대 8.3 C가차이남을확인하였다. 시뮬레

47 이션결과, 방전속도가증가함에따른온도상승폭이 NCM계및 LMO보다 LFP가적으므로열적특성에서우수한소재임을알수있었다. EV의배터리에서요구되는특성중하나인안전성측면에서소재를선정할경우, 열적특성이우수한소재인 LFP를선정해야배터리의안전성을확보할수있을것으로사료된다. (a) (b) (c) (d) Figure 23. Battery temperature change according to application of each positive electrode material when discharging at different C-rates: When a thermal model is applied to (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO

48 2. 온도조건에따른배터리방전성능 가. 용량손실 (a) (b) (c) (d) Figure 24. Battery capacity loss when discharged at 1C-rate at -20, -10, 0, 25, 45 C of (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO Figure 24 는상이한양극활물질이적용된배터리셀을각각 5 가지의다른 온도조건 (-20, -10, 0, 25, 45 C) 에서 1C-rate 으로방전시용량손실에대한결 과를나타내는그래프이다. 저온인 -20, -10, 0 C 의경우기존용량과대비

49 LFP 및 LMO에서 29.1, 18.8, 11.8% 및 21.2, 13.8, 8.5% 용량이감소하였으며, NCM622 및 NCM811의경우 17.1, 13.1, 10.4% 및 15.5, 12.2, 9.9% 의배터리용량감소가나타나는것을확인하였다. 상온인 25 C 및고온인 45 C의경우기존용량과대비 LFP 및 LMO에서 4.7, 2.9% 및 2.5, 1.2% 용량이감소하였으며, NCM622 및 NCM811의경우 7.6, 6.7% 및 7.1, 6.2% 로저온에서의용량감소보다더적은것을확인할수있다. 저온환경에서는배터리의내부화학반응속도가느려지면서작동전압및용량감소가발생하고이는배터리의성능저하로이어진다.[63] 반면에온도가상승할수록내부저항의감소로인해화학반응이활발해지면서용량감소가적게나타난다. 시뮬레이션결과, LIB는상온및고온영역에서는 LFP 및 LMO 소재가 NCM계소재보다용량감소가적게나타났으나저온영역에서급격하게용량이감소하므로 NCM 소재가모든온도영역에서비교적더안정적인것을확인하였다. 나. 온도변화 Figure 25 는상이한양극활물질이적용된배터리셀을각각 5 가지의다른 온도조건 (-20, -10, 0, 25, 45 C) 에서 1C-rate 으로방전시온도변화에대한결 과를나타내는그래프이다. (a) (b)

50 (c) (d) Figure 25. Battery temperature change when discharged at 1C-rate at -20, -10, 0, 25, 45 C of (a) NCM622, (b) NCM811, (c) LFP, and (d) LMO 저온인 -20, -10, 0 C의경우초기온도와대비하여 LFP 및 LMO에서 8.1, 6.0, 4.4 C 및 11.9, 8.9, 6.6 C 온도가증가하였으며, NCM622 및 NCM811의경우 22.4, 18.7, 15.7 C 및 20.7, 16.6, 13.4 C의온도변화가나타나는것을확인하였다. 상온인 25 C 및고온인 45 C의경우초기온도와대비하여 LFP 및 LMO에서 2.5, 2.2 C 및 3.6, 2.9 C 온도가증가하였으며, NCM622 및 NCM811 의경우 10.3, 7.6 C 및 8.0, 5.3 C로저온에서의온도변화보다더적게나타난것을확인할수있다. NCM 소재의경우저온영역에서방전시온도상승폭이 LFP 및 LMO 소재에비해크기때문에용량감소가적게나타난반면에 LFP 및 LMO 소재의경우저온영역에서방전시온도상승이미미하여용량감소가크게나타나는것으로사료된다. 따라서, 저온에서화학반응이활발하게일어나는소재일수록온도상승폭이크고전압강하가낮아배터리용량감소가적게나타나는것으로사료된다

51 제 2 절양극활물질종류별배터리팩에따른 EV 특성 해석 1. 주행사이클적용에따른배터리모델의특성비교분석 가. SOC (a) (b) (c) (d) Figure 26. Comparison of changes in battery SOC according to various driving cycles (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 Figure 26 은상이한양극활물질이적용된배터리를탑재하여 4 가지의다른

52 주행사이클 (FTP-75, HWFET, WLTC, US06) 적용에따른배터리 SOC 변화를나타내는그래프이다. 각주행사이클에서 4가지의양극활물질을적용한결과, 도심주행사이클인 FTP-75에서는초기 SOC(80%) 와대비하여 NCM622 및 NCM811의경우 4.0 및 2.5% 가 SOC 감소가관찰되었으며, LFP 및 LMO는 4.2 및 4.5% 감소하였다. 고속도로주행사이클인 HWFET 및최고속 급가감속주행사이클인 US06에서는 NCM622 및 NCM811의경우 2가지사이클동일하게 4.1 및 3.9% 의 SOC 감소가관찰되었으며, LFP 및 LMO에서도 4.3 및 4.6% 로 FTP-75 주행사이클과감소폭이비슷하게나타났다. 저속부터초고속까지 4가지의속도로구분되는 WLTC에서는 NCM622 및 NCM811의경우 6.1 및 5.9% 의 SOC 감소가관찰되었으며, LFP 및 LMO는 6.4 및 6.8% 로나머지 3가지주행사이클에비해 SOC의감소폭이더크게나타났다. 이는사이클특성상타사이클보다급격한속도변화, 높은최대속도, 주행거리및더많은속도변화구간이 SOC 감소에영향을주었을것으로사료된다. 나. 배터리무게 Figure 27. Comparison of weight according to the application of each different positive electrode materials of the battery pack mounted in EV

53 Figure 27은상이한양극활물질적용에따른 EV용배터리팩의무게비교를나타내는그래프이다. EV에서연비를향상시키기위해서는 EV에서핵심부품인배터리팩의고용량화및경량화는필수이다. 이때, 단순히배터리용량만을증가시키는것이아니라배터리의에너지밀도를증가시켜야효과적으로 EV의효율성을향상시킬수있다. 따라서, 본연구에서는배터리의용량을좌우하는양극활물질을각각적용하여배터리팩의무게비교를진행하였다. 상이한양극활물질을목표 EV의배터리용량인 55kWh로동일하게구축한결과, NCM622 및 NCM811에서는 및 299.2kg, LFP 및 LMO의경우 및 381.1kg이도출되었다. 4가지의양극활물질을각각적용한배터리팩을비교한결과, NCM622 및 NCM811는 LFP 및 LMO 소재에비해 157.5, 87.8kg 및 151.7, 82.0kg이더가볍게도출되었다. 동일한배터리팩용량과대비하여 LFP 및 LMO에비해상대적으로높은에너지밀도를가진 NCM계양극활물질이더가벼운중량으로동일한용량을구축할수있다는장점으로인해고용량및경량화측면에서소재를선택할경우, NCM계가 EV 적용에더적합할것으로사료된다. 다. 용량손실 (a) (b)

54 (c) (d) Figure 28. Comparison of battery capacity loss according to various driving cycles (a) FTP-75, (b) HWFET, (c) WLTC, and (d) US06 Figure 28은 4가지의주행사이클적용에따른상이한양극활물질이적용된 EV용배터리의용량변화를나타내는그래프이다. 각주행사이클에서 4가지의양극활물질을적용한결과, FTP-75에서는기존용량과대비하여 NCM622 및 NCM811의경우 10.2, 10.1Ah 용량의감소가관찰되었으며, LFP 및 LMO 는 11.0 및 10.9Ah가감소하였다. HWFET 및 US06에서는 NCM622 및 NCM811의경우 7.0, 6.9Ah 및 9.5, 9.4Ah 용량의감소가관찰되었으며, LFP 및 LMO는 7.6, 10.3Ah 및 7.5, 10.2Ah가감소하였다. 4가지주행사이클중속도변화가가장적은 HWFET이용량감소의폭이작게나타났다. WLTC에서는 NCM622 및 NCM811의경우 13.3 및 13.2Ah의용량변화가관찰되었으며, LFP 및 LMO는 14.4 및 14.2Ah로다른 3가지주행사이클에비해더크게용량이감소하였다. 각주행사이클테스트를수행한결과, NCM811 소재가타소재에비해용량이가장적게감소하였으며, 반대로 LFP는가장많이감소함을확인할수있었다. 이러한결과를통해 Li[Ni,Co,Mn]O 2 삼성분계의금속조성비에따른소재별특성이잘반영되어있음을알수있다

55 제 3 절배터리셀단위실험결과비교분석 1. 용량손실 Figure 29. Comparison of capacity loss for cylindrical battery with NCM material according to different C-rate Figure 29는 NCM 양극활물질이적용된배터리셀을 25 C 온도조건에서상이한방전속도 (0.2, 0.5, 1, 2C-rate) 로방전시시뮬레이션및실험의배터리용량손실비교결과를나타내는그래프이다. 시뮬레이션의결과에대한타당성검증을위해 NCM 양극활물질이적용된 원통형배터리를사용하여 0.2, 0.5, 1 및 2C-rate의속도에서충 방전시험을수행하고, 방전속도에따른배터리의용량변화비교분석을진행하였다. 시뮬레이션과실험결과비교분석시현재 EV용배터리에많이탑재되는양극활물질인 NCM622가적용된배터리셀의시뮬레이션의결과값을사용하였다. 상이한방전속도에따른배터리의용량손실을비교한결과, 0.2C-rate 및 0.5C-rate에서 4.0 및 4.7% 용량의감소가관찰되었으며, 1C-rate 및 2C-rate에서는 6.3 및 9.6% 로용량감소의폭이더크게나타났다. 실험및시뮬레이션결과를통해방전속

56 도가증가함에따라배터리용량손실이증가하는경향이동일하게나타남을확인하였다. 또한, 실험보다 GT-AutoLion을통해얻은용량의감소결과값이더크게나타났으며, 방전속도가증가함에따라실험과시뮬레이션의오차또한증가하였으나, 실험과시뮬레이션의오차율은 10% 이내로나타났다. 오차의발생원인은 1D 해석의한계및실험에적용된양극재와해석에적용된양극재물성데이터의차이로사료된다. 2. 온도변화 Figure 30. Comparison of temperature change for cylindrical battery with NCM material according to different C-rate Figure 30은 NCM 양극활물질이적용된배터리셀을 25 C 온도조건에서상이한방전속도 (0.2, 0.5, 1, 2C-rate) 로방전시시뮬레이션및실험의배터리온도변화비교결과를나타내는그래프이다. NCM 소재가적용된 원통형배터리를 0.2, 0.5, 1 및 2C-rate의속도로충 방전시험을진행하고, 방전속도에따른배터리의온도변화비교분석을통해시뮬레이션의타당성을

57 검증하였다. 시뮬레이션에서열모델 ( 자연대류조건적용, h=10w/m2 K) 적용유무및실험총 3가지결과를비교하였다. 먼저시뮬레이션에서열모델을적용할경우와실험결과를비교한결과, 0.2C-rate 및 0.5C-rate에서는초기온도 (25 C) 와대비하여 1.7 및 3.9 C 차이가나타났으며, 1C-rate 및 2C-rate에서는 6.3 및 8.2 C 차이가나타났다. 시뮬레이션에서열모델을적용하지않았을경우와실험결과를비교한결과, 0.2C-rate 및 0.5C-rate에서는초기온도와대비하여 1.8 및 4.3 C 차이가나타났으며, 1C-rate 및 2C-rate에서는 7.4 및 11.6 C로느린방전속도 (0.2, 0.5C-rate) 에서보다온도변화가더크게나타났다. 실험및시뮬레이션결과를통해방전속도가증가함에따라배터리의온도가증가하는경향이동일하게나타남을확인하였으며, 시뮬레이션의결과값이실험보다더과도하게해석됨을알수있다. 일반적으로 LIB는충 방전시내부열발생으로인해온도구배를가지게된다. Zhang 외의연구결과에따르면충 방전시배터리의내부온도가표면온도보다더높게나타나며, 방전속도가증가함에따라더많은열발생으로인해온도구배또한커지는것을알수있다.[64] 본연구에서의해석과실험의온도차이의발생원인으로해석시에는배터리의내부온도까지포함된결과값인반면, 실험에서는배터리의표면온도를측정한결과값이므로온도차이가크게나타난것으로사료된다. 또한, 시뮬레이션에서열모델이적용된경우보다열모델이적용되지않은경우가온도변화가더크게나타남을알수있고, 방전속도가증가함에따라배터리의온도변화가더크게증가함을확인하였다

58 제 4 장결론및향후과제 본논문에서는상이한양극활물질 (NCM622, NCM811, LFP, LMO) 적용에따른배터리성능비교분석을위해전기화학 0D 기반의 GT-AutoLion을사용하였다. 원통형배터리셀에서배터리팩으로확장한후, 1D 기반의차량종합시뮬레이션인 GT-Suite과의결합을통해 EV 모델을구축하여연구를수행하였다. 이러한비교분석결과를토대로다음과같은결론을도출할수있었다. Table 8. Comparison of battery characteristics according to different positive electrode active materials (a) Results of battery cell, (b) Results of battery pack mounting on EV 양극 C-rate 온도용량온도용량손실온도변화 활물질 손실 변화 저온 상온 / 고온 저온 상온 / 고온 NCM o + - NCM o + - LFP LMO (a) FTP-75 HWFET WLTC US06 양극배터리활물질무게 SOC 용량용량용량용량 SOC SOC SOC 손실손실손실손실 NCM NCM LFP LMO (b) (1) 상이한 C-rate 의방전시험의경우, 배터리의방전속도가증가함에따라 배터리용량손실이커지는것뿐만아니라온도또한증가함을확인하였 다. 또한, LFP 및 LMO 보다 NCM 계가방전속도에영향을더크게받는 것을확인하였다. (Table 8. (a) 참조 ) (2) EV 에서요구하는특성중안전성측면을우선적으로고려할경우, 열적

59 특성이우수한양극활물질인 LFP를적용시 NCM계보다더높은안전성을확보할수있을것으로사료된다. (Table 8. (a) 참조 ) (3) 상이한온도조건에서 1C-rate으로방전할경우, 상온및고온에서는 LFP 및 LMO 소재가 NCM보다더적은용량이감소한반면에저온에서 LFP 및 LMO 소재가급격하게용량이감소함을보여주었다. 이는 LFP 및 LMO 에비해 NCM이저온에서도화학반응이비교적더활발하게일어나온도에영향을덜받는것으로사료된다. 따라서모든온도영역에서 LFP 및 LMO보다 NCM이비교적더안정적인것을확인하였다. (Table 8. (a) 참조 ) (4) WLTC 주행사이클에서나머지 3개의사이클보다배터리 SOC가더크게감소하였으며, NCM계보다 LFP 및 LMO가더감소폭이크게나타남을확인하였다. 이는 WLTC 사이클특성상타사이클보다급격한속도변화, 높은최대속도, 주행거리및더많은속도변화구간이 SOC 감소에영향을주었을것으로사료된다. (Table 8. (b) 참조 ) (5) EV에탑재되는동일한배터리팩의용량일경우 LFP 및 LMO보다고에너지밀도를가지고있는 NCM계소재가가벼운중량으로배터리팩모델을구축할수있다. EV의연비향상측면에서양극활물질을고려할경우 NCM계가 EV 적용에더적합한것으로사료된다. (Table 8. (b) 참조 ) (6) NCM811 소재는같은 NCM계의 NCM622를포함한 LFP 및 LMO에비해용량감소의폭이가장적게나타난반면, LFP는용량감소가가장크게나타남을알수있었다. 이를통해삼성분계인 Li[Ni,Co,Mn]O 2 의 Ni, Co 및 Mn의금속조성비에따른소재별특성이잘반영되어있음을확인하였다. (Table 8. (b) 참조 ) (7) 실험과시뮬레이션에서공통적으로배터리방전속도가증가함에따라배터리의용량손실및온도가증가하는경향이동일하게나타남을확인하였다. EV에탑재되는배터리에서요구하는사항들을만족하기위해서는기존의양극활물질적용만으로는한계가있다. 향후 NCM, LFP, LMO 등의기존양극활물질에도핑, 코팅및입자크기조절등과같은방법적용및다른종류의양극활물질을혼합하는방법 [65,66] 등과같은성능을향상시키는연구가활발하게진행되어야한다

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