임피던스 분광법 기반 저항 파라미터를 이용한 배터리 전기적 특성 분석 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the recent expansion of electric vehicles, the lithium-ion secondary battery market is experiencing rapid growth. Consequently, emissions from used batteries are also increasing. This is not a simple problem; it has implications for environmental and industrial issues. To ensure sustainable use of batteries, it is essential to establish a diagnostic system that can accurately assess their residual value and efficiently categorize them for reuse or recycling.
This study aims to analyze degradation data from lithium-ion secondary batteries to quantitatively assess their internal condition and, based on this analysis, provide objective criteria for determining reuse and recycling. To this end, we analyzed changes in electrochemical properties using publicly available datasets (B0005, B0006, B0007, B0018) provided by the NASA Ames Prognostics Data Repository. Key analysis indicators included charge/discharge voltage-time profiles, capacity decay trends, and Nyquist plots obtained through electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Each battery exhibited different degradation patterns as the charge/discharge cycle progressed. The analysis results showed that the B0005 cell exhibited a typical and stable degradation pattern, while the B0006 cell exhibited chemical end-of-life symptoms due to a decrease in the interfacial reaction.
The B0007 cell exhibited the most severe degradation, and the B0018 cell exhibited a stable degradation pattern. Notably, the correlation coefficient between the change in electrolyte resistance (ΔRs) and the rate of capacity decline was –0.91, confirming a close relationship between increased internal resistance and capacity decline. Furthermore, the change in charge transfer resistance (ΔRct) was closely related to the decrease in interfacial reaction rate.
Based on these analysis results, a new diagnostic criterion was proposed, classifying the degradation process into three stages based on the relative change in resistance compared to the initial state.
The case of (ΔRs ≥ 60%) or (|ΔRct| ≥ 25%) is suggested as the recycling stage, the case of (30% ≤ ΔRs < 60%) or (15% ≤ |ΔRct| < 25%) is the intermediate deterioration stage, and the case of (ΔRs < 30%) and (|ΔRct| < 15%) is suggested as the reusable stage.

국문 초록 (Abstract)

최근 전기자동차 보급이 확대되면서 리튬이온 이차전지 시장이 급격히 성장하고 있다. 이로 인해 사용 후 배터리의 배출량도 같이 증가하고 있다. 이는 단순한 문제가 아니며 환경적·산업적 문제로 이어진다. 배터리의 지속 가능한 활용을 위해서는 배터리의 잔존 가치를 정확히 평가하고 재사용 또는 재활용 여부를 효율적으로 분류할 수 있는 진단 시스템의 구축이 필수적이다.
본 연구는 리튬이온 이차전지의 열화 데이터를 분석하여 내부 상태를 정량적으로 평가하고 이를 기반으로 재사용 및 재활용 판단을 위한 객관적 기준을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 NASA Ames Prognostics Data Repository에서 제공하는 공개 데이터 셋(B0005, B0006, B0007, B0018)을 활용하여 전기화학적 특성 변화를 분석하였다. 주요 분석지표로는 충·방전 전압 -시간 프로파일, 용량 감소 경향, 전기화학 임피던스 분광법을 통해 얻은 나이퀴스트(nyquist) 플롯을 사용하였다. 충·방전 사이클이 진행됨에 따라 각 배터 리별로 다른 열화 양상을 보였다.
분석 결과 B0005 셀은 일반적이고 안정적인 열화 형태를, B0006 셀 계면반응 저하로 인한 화학적 수명 종료 양상을 보였으며 B0007은 가장 심한 열화 증상을, B0018은 안정적인 열화 양상을 보였다. 특히 전해질 저항값의 변화율(ΔRs)과 용량 감소율 간의 상관계수는 –0.91로 내부 저항의 증가와 용량 감소가 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 또한 전하 전달 저항 값의 변화율 (ΔRct)은 계면 반응 속도 저하와 밀접한 관련성을 보였다.
이러한 분석 결과를 기반으로 초기 상태 대비 저항의 상대적 변화를 기준 으로 열화 과정을 세 단계로 분류하는 새로운 진단 기준을 제안하였다.
(ΔRs ≥ 60%) or (|ΔRct| ≥ 25%)인 경우를 재활용 단계, (30% ≤ ΔRs < 60%) or (15% ≤ |ΔRct| < 25%)인 경우를 중간 열화 단계, (ΔRs < 30%) and (|ΔRct| < 15%) 인 경우를 재사용 가능 단계로 제안한다.