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리튬 이온 배터리의 성능을 고려한 전극 조성의 최적화에 관한 연구
서보일(B. I. Seo),김효정(H. J. Kim),김철(C. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
전기차 시장의 성장으로 인해 내연기관의 성능에 상응하는 리튬 이온 배터리에 관한 연구가 여러 방면에서 진행되고 있다. 기존보다 높은 성능을 지닌 전극 재료에 대한 탐색이 활발히 이루어지고 있다. 그리고 셀 성능에 영향을 미치는 설계변수들의 최적화와 관련된 연구들도 많이 수행되고 있다. 리튬 이온 배터리의 수치 최적화와 관련된 기존 대부분의 연구는 전극의 공극비와 두께만을 설계변수로 고려하였다. 전극의 질량과 활물질, 바인더, 그리고 전도성 첨가제의 조성비 또한 셀 성능에 큰 영향을 미친다. 본 연구의 목표는 전극의 조성을 고려하여 셀의 에너지 밀도와 양극재 바인더의 조성비를 최대화하는 데 있다. COMSOL Multiphysics 와 MATLAB 을 연계하여 흑연/LMO 셀에 대한 최적 설계를 수행하였다. 셀에 대한 전기화학적 모델인 P2D (Pseudo-two-dimensional Model)를 기반으로 전극의 조성에 따른 셀의 에너지 밀도와 출력 밀도를 해석하였다. 해당 전기화학적 모델을 풀기 위해 COMSOL Multiphysics가 이용되었다. Bounded Objective Function Method 를 바탕으로 다목적 최적화 문제를 두 개의 단목적 최적화 문제로 분리하였다. MATLAB 의 Multi-start Method 와 Interior-point Algorithm 을 활용하여 정의된 최적화 문제들을 차례대로 해결하였다. 초기 셀에 비해 최적화된 셀의 에너지 밀도와 바인더의 조성비들은 각각 제한조건을 만족하면서 약 18% 그리고 약 50% 증가하였다.
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