Figure 30. Comparison of temperature change for 18650 cylindrical battery with NCM material according to different C-rate
Figure 30은 NCM 양극활물질이 적용된 배터리 셀을 25˚C 온도 조건에서 상이한 방전 속도(0.2, 0.5, 1, 2C-rate)로 방전시 시뮬레이션 및 실험의 배터리 온도 변화 비교 결과를 나타내는 그래프이다. NCM 소재가 적용된 18650 원 통형 배터리를 0.2, 0.5, 1 및 2C-rate의 속도로 충·방전 시험을 진행하고, 방전 속도에 따른 배터리의 온도 변화 비교 분석을 통해 시뮬레이션의 타당성을
검증하였다. 시뮬레이션에서 열 모델(자연대류 조건 적용, h=10W/m2·K) 적용 유무 및 실험 총 3가지 결과를 비교하였다. 먼저 시뮬레이션에서 열 모델을 적용할 경우와 실험 결과를 비교한 결과, 0.2C-rate 및 0.5C-rate에서는 초기온 도(25˚C)와 대비하여 1.7 및 3.9˚C 차이가 나타났으며, 1C-rate 및 2C-rate에서 는 6.3 및 8.2˚C 차이가 나타났다. 시뮬레이션에서 열 모델을 적용하지 않았을 경우와 실험 결과를 비교한 결과, 0.2C-rate 및 0.5C-rate에서는 초기온도와 대 비하여 1.8 및 4.3˚C 차이가 나타났으며, 1C-rate 및 2C-rate에서는 7.4 및 11.6˚
C로 느린 방전 속도(0.2, 0.5C-rate)에서보다 온도 변화가 더 크게 나타났다.
실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 방전 속도가 증가함에 따라 배터리의 온 도가 증가하는 경향이 동일하게 나타남을 확인하였으며, 시뮬레이션의 결과 값이 실험보다 더 과도하게 해석됨을 알 수 있다. 일반적으로 LIB는 충·방전 시 내부 열발생으로 인해 온도구배를 가지게 된다. Zhang 외의 연구 결과에 따르면 충·방전시 배터리의 내부 온도가 표면 온도보다 더 높게 나타나며, 방 전 속도가 증가함에 따라 더 많은 열발생으로 인해 온도구배 또한 커지는 것 을 알 수 있다.[64] 본 연구에서의 해석과 실험의 온도 차이의 발생 원인으로 해석시에는 배터리의 내부 온도까지 포함된 결과 값인 반면, 실험에서는 배 터리의 표면 온도를 측정한 결과 값이므로 온도 차이가 크게 나타난 것으로 사료된다. 또한, 시뮬레이션에서 열 모델이 적용된 경우보다 열 모델이 적용 되지 않은 경우가 온도 변화가 더 크게 나타남을 알 수 있고, 방전 속도가 증가함에 따라 배터리의 온도 변화가 더 크게 증가함을 확인하였다.
제 4 장 결론 및 향후 과제
본 논문에서는 상이한 양극활물질(NCM622, NCM811, LFP, LMO) 적용에 따른 배터리 성능 비교 분석을 위해 전기화학 0D 기반의 GT-AutoLion을 사 용하였다. 원통형 배터리 셀에서 배터리 팩으로 확장한 후, 1D 기반의 차량 종합 시뮬레이션인 GT-Suite과의 결합을 통해 EV 모델을 구축하여 연구를 수 행하였다. 이러한 비교 분석 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
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
(a)
(b)
(1) 상이한 C-rate의 방전 시험의 경우, 배터리의 방전 속도가 증가함에 따라 배터리 용량 손실이 커지는 것뿐만 아니라 온도 또한 증가함을 확인하였 다. 또한, LFP 및 LMO보다 NCM계가 방전 속도에 영향을 더 크게 받는 것을 확인하였다. (Table 8. (a) 참조)
(2) EV에서 요구하는 특성 중 안전성 측면을 우선적으로 고려할 경우, 열적 양극
활물질
C-rate 온도
용량 손실
온도 변화
용량 손실 온도 변화
저온 상온/고온 저온 상온/고온
NCM622 - - + o +
-NCM811 - - + o +
-LFP ++ ++ - + - +
LMO + + - + - +
양극 활물질
배터리 무게
FTP-75 HWFET WLTC US06
SOC
용량
손실 SOC
용량
손실 SOC
용량
손실 SOC
용량 손실
NCM622 + + + + + + + + +
NCM811 + ++ + ++ + ++ + ++ +
LFP - - -
-LMO - - -
-특성이 우수한 양극활물질인 LFP를 적용시 NCM계보다 더 높은 안전성을 확보할 수 있을 것으로 사료된다. (Table 8. (a) 참조)
(3) 상이한 온도조건에서 1C-rate으로 방전할 경우, 상온 및 고온에서는 LFP 및 LMO 소재가 NCM보다 더 적은 용량이 감소한 반면에 저온에서 LFP 및 LMO 소재가 급격하게 용량이 감소함을 보여주었다. 이는 LFP 및 LMO 에 비해 NCM이 저온에서도 화학반응이 비교적 더 활발하게 일어나 온도 에 영향을 덜 받는 것으로 사료된다. 따라서 모든 온도 영역에서 LFP 및 LMO보다 NCM이 비교적 더 안정적인 것을 확인하였다. (Table 8. (a) 참조) (4) WLTC 주행 사이클에서 나머지 3개의 사이클보다 배터리 SOC가 더 크게
감소하였으며, NCM계보다 LFP 및 LMO가 더 감소 폭이 크게 나타남을 확인하였다. 이는 WLTC 사이클 특성상 타 사이클보다 급격한 속도 변화, 높은 최대 속도, 주행거리 및 더 많은 속도 변화 구간이 SOC 감소에 영 향을 주었을 것으로 사료된다. (Table 8. (b) 참조)
(5) EV에 탑재되는 동일한 배터리 팩의 용량일 경우 LFP 및 LMO보다 고에 너지 밀도를 가지고 있는 NCM계 소재가 가벼운 중량으로 배터리 팩 모 델을 구축할 수 있다. EV의 연비 향상 측면에서 양극활물질을 고려할 경 우 NCM계가 EV 적용에 더 적합한 것으로 사료된다. (Table 8. (b) 참조) (6) NCM811 소재는 같은 NCM계의 NCM622를 포함한 LFP 및 LMO에 비해
용량 감소의 폭이 가장 적게 나타난 반면, LFP는 용량 감소가 가장 크게 나타남을 알 수 있었다. 이를 통해 삼성분계인 Li[Ni,Co,Mn]O2의 Ni, Co 및 Mn의 금속 조성비에 따른 소재별 특성이 잘 반영되어 있음을 확인하 였다. (Table 8. (b) 참조)
(7) 실험과 시뮬레이션에서 공통적으로 배터리 방전 속도가 증가함에 따라 배 터리의 용량 손실 및 온도가 증가하는 경향이 동일하게 나타남을 확인하 였다.
EV에 탑재되는 배터리에서 요구하는 사항들을 만족하기 위해서는 기존의 양극활물질 적용만으로는 한계가 있다. 향후 NCM, LFP, LMO 등의 기존 양 극활물질에 도핑, 코팅 및 입자크기 조절 등과 같은 방법 적용 및 다른 종류 의 양극활물질을 혼합하는 방법[65,66] 등과 같은 성능을 향상시키는 연구가 활발하게 진행되어야 한다.
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