Enhancing Cycle Life in LEO-Satellite Batteries through Electrochemical Diagnostics = 전기화학 진단을 활용한 저궤도 위성용 전지의 사이클 수명 향상

국문 초록 (Abstract)

저궤도(LEO) 위성용 리튬이온 배터리는 한번 탑재되면 교체가 불가능하기 때문에 수명과 신뢰성이 매우 중요하다. 장기 운용을 보장하기 위해 이들 배터리는 높은 용량으로 설계되고 낮은 방전 깊이(DoD) 사이클링 조건에서 운용되며, 이는 배터리 수명을 정확히 평가하고 적절한 운용 프로토콜을 설계하는 것이 특히 중요함을 의미한다. 본 연구는 종합적인 전기화학 진단 기법을 활용해 (1) 수명 평가, (2) 열화 메커니즘 규명, (3) 사이클 수명 예측을 수행함으로써 낮은 DoD 조건에서 리튬이온 배터리의 사이클 수명을 향상시키고자 한다. 25,000 사이클까지 성능을 저 사이클 구간으로 예측하여 최적 충전 종료 전압(EoCV)을 도출하고, dQ/dV, dV/dQ, GITT 분석을 통합한 통합 진단 프레임워크를 제안하여 단일 시험만으로 최적 사이클 프로토콜을 정할 수 있도록 한다. 배터리 열화는 복합적이며 다양한 요인이 관여하는 현상이다. 기존 연구들이 주로 저 C-rate 용량 측정만으로 열화를 평가하는 반면, 본 연구에서는 C-rate에 따라 용량 유지 경향이 달라진다는 것을 입증하여 열화 평가 시 여러 운용 파라미터를 종합적으로 고려해야 함을 강조한다. Aging Matrix를 활용해 DoD30% 사이클링에서 도출된 열화 인자와 전기화학 진단을 통해 얻은 열화인자 간의 상관관계를 분석했다. 또한, 충전 상태(SoC)별 열화 인자를 조사하여 열화가 단일 지표가 아니라 다양한 충전 상태 전반에 걸쳐 다차원적으로 발생함을 밝혀냈다. 제안한 프레임워크는 위성용 배터리의 사이클 프로토콜 최적화 및 설계·운용 전략 수립을 위한 강력하고 유연한 도구를 제공하며, 향후 상전이 거동 실험 검증과 EoCV 정밀도 향상을 위한 추가 연구로 이어질 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The longevity and reliability of lithium-ion batteries in Low Earth Orbit (LEO) satellites are critical, as these batteries cannot be replaced once deployed. To ensure long-term operation, these batteries are designed with high capacity and operated under low Depth-of-Discharge (DoD) cycling conditions, which makes it especially important to accurately evaluate battery life and to design appropriate operation protocols.

This study aims to enhance the cycle life of lithium-ion batteries under low Depth-of-Discharge (DoD) conditions by employing a comprehensive suite of electrochemical diagnostic techniques to (1) evaluate lifetime, (2) elucidate degradation mechanisms, and (3) predict cycle life. By extrapolating performance to 25,000 cycles, we determine the optimal end-of-charge voltage (EoCV) and introduce a unified diagnostic framework that integrates dQ/dV, dV/dQ, and GITT analyses, enabling the identification of the best cycling protocol in a single test.

Battery degradation is a complex, multi-factor phenomenon. Whereas existing studies typically assess degradation via low C-rate capacity measurements alone, we demonstrate that capacity retention trends vary with C-rate, indicating that evaluation of battery degradation must comprehensively consider multiple parameters.

Using an Aging Matrix, we analyzed correlations between degradation factors derived from DoD30% cycling and electrochemical diagnostics. Furthermore, by investigating state-of-charge (SoC
)–dependent degradation factors, we reveal that degradation is inherently multidimensional, occurring across varying charge states rather than as a single metric.

Our framework offers a versatile tool for optimizing cycle protocols and guiding battery design and operation strategies in satellite applications, though further work is needed to verify phase-transition behavior and refine EoCV precision.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Tables iv
• List of Figures v
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research Background 1
• 1.2. Key Challenges in Low-DoD Cycling and Agccurate Cycle-Life Prediction 2
• 1.3. Research Objectives 3
• Chapter 2. Low-DoD Cycling for LEO Satellites 4
• 2.1. DoD 30% Cycle Protocol 4
• 2.2. DoD 30% Cycle Performance 6
• 2.2.1. Energy Retention 6
• 2.2.2. Capacity Retention 6
• 2.2.3. Retention Mismatch (Energy vs. Capacity) 8
• Chapter 3. Cycle-Life Prediction 9
• 3.1. Thermodynamic Effects on Retention 9
• 3.2. Retention Gap Prediction 12
• 3.3. Capacity Retention Prediction 14
• 3.4. Long Cycle-Life Prediction 15
• Chapter 4. Electrochemical Diagnostics 18
• 4.1. Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT) 18
• 4.2. Degradation Mechanism from GITT 20
• 4.3. Incremental Capacity (dQ/dV) Analysis 23
• 4.4. The Degradation Modes (DMs) 26
• 4.5. Degradation Mechanism from dQ/dV 27
• Chapter 5. Aging Matrix Framework 31
• 5.1. 2-Dimensional Retention Maps 31
• 5.2. Aging Matrix I: Summary 33
• 5.3. Aging Matrix II: State-of-Charge Dependence 36
• Chapter 6. Conclusion 38
• Bibliography 40
• 국문 초록 50