사용 후 리튬이온배터리 모듈의 초저온 동결 공정에 따른 전기적 특성 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A Study on the Electrical Characteristics of Spent Lithium-ion Battery Modules Under Cryogenic Freezing Processes Yong-Ho Yeo Department of Metallurgical Engineering, The Graduate School, Pukyong National University This study investigates cryogenic freezing as a safety measure for end-of-life (EOL) lithium-ion battery modules during storage and transportation. We consider immersion and indirect heat-exchange architectures compatible with liquid nitrogen (LN₂) or liquefied air (LA), and evaluate pre-/post-freezing changes in module-level properties. Electrical diagnostics focus on early degradation indicators— charge/discharge capacity, direct-current internal resistance (DCIR), and insulation resistance—measured under matched protocols before and after freezing. Under the tested protocol (−50 °C, ≥24 h soak, controlled ramp, electrical isolation, gradual rewarming), no macroscopic mechanical damage was observed, and the module retained its electrochemical performance: discharge capacity remained essentially unchanged, DCIR showed no measurable increase, and insulation resistance stayed ≥ 500 MΩ. These results indicate that short-term low-temperature storage can be implemented without compromising subsequent electrical behavior, supporting the feasibility of cryogenic strategies as a risk-mitigation approach for EOL battery logistics. The findings provide baseline data for future module/pack-scale demonstrations, repeated freeze–thaw durability assessments, and comparative studies using LN₂- or LA-based cooling systems.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 전지의 개요 6
• 1.1 1차전지 6
• 1.2 2차전지 8
• 2. 리튬 이온 전지의 개요 10
• 2.1 리튬이온전지의 원리 10
• 2.2 리튬이온전지의 구성 12
• 2.2.1 양극 13
• 2.2.2 음극 14
• 2.2.3 전해질 15
• 2.2.4 분리막 16
• 3. 전지자동차의 리튬이온전지 17
• 3.1 LFP(LiFePO4) 19
• 3.2 NCM(LiNiCoMnO2) 21
• 3.3 NCA(LiNiCoAlO2) 23
• 3.4 LMO(LiMn2O4) 25
• 3.5 고니켈 양극재(High-Ni) 개발 동향 27
• 3.6 차세대 양극재 기술(Next-Generation Cathode Materials) 28
• 4. 리튬이온전지의 충·방전 메커니즘 및 열화 특성 30
• 4.1 리튬이온전지의 전기화학적 충·방전 메커니즘 30
• 4.2 리튬이온전지의 열 관리 및 안전성 33
• 4.2.1 열 관리 기술의 필요성 35
• 4.3 전지 수명 열화 및 신뢰성 평가 39
• 4.4 전지 수명 열화 억제 및 수명 향상 전략 41
• 4.5 고신뢰성 배터리 시스템 설계 및 열화 예측 기술 43
• 4.6 전지 열화 진단 및 실시간 모니터링 기술 45
• 4.7 전지 수명 예측 모델링 디지털 트윈 적용 47
• Ⅲ. 실험 재료 및 방법 51
• 1. 실험재료 51
• 1.1 재료 51
• 1.2 실험 장비 53
• 2. 실험 방법 57
• 2.1 동결 전 진단(Pre-Freezing Diagnostics) 57
• 2.2 초저온 동결 프로토콜(Cryogenic Freezing Protocol) 59
• 2.3 동결 후 진단(Post-Freezing Diagnostics) 60
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 62
• 1. 결과 및 고찰 62
• 1.1 동결 전·후 육안 검사(Visual Inspection) 62
• 1.2 성능 분석(Performance Analysis) 66
• 1.2.1 동결 전·후 방전 용량 및 DCIR 비교 66
• 1.2.2 동결 전·후 전기적 성능 비교 분석 69
• Ⅴ. 결론 73
• 참고문헌 76