외부 유동 조건에 따른 18650 리튬이온 배터리 열폭주에 대한 거동 예측 연구

박주원 국립한국해양대학교 대학원 2026 국내박사

리튬이온배터리의 폭발위험성과 폐리튬 2차전지의 저장·보관 시 이격거리에 관한 연구

김덕한 인하대학교 대학원 2021 국내석사

전자, 정보통신 기술의 발전으로 공간의 제약없이 휴대하는 스마트폰, 노트북 등 IT기기의 수요와 함께 기술이 발전이 이뤄져 왔으며, 일회만 사용되고 폐기되는 1차전지의 한계를 넘어 2차전지가 개발, 상용화에 이르렀다. 이중 리튬이온배터리는 여러 2차전지 중에서 에너지 밀도가 높고 수명이 길다는 특성 때문에 첨단기기의 전원으로 사용되고 있다. 향후 급격한 수요의 증가로 충전가능량이 70∼80%가 되는 폐리튬이온배터리 또한 급증할 것으로 예상된다. 리튬이온 배터리는 양극과, 음극, 분리막, 전해액, 케이스로 이루어 지고, 그 중 전해액은 배터리 무게의 약 5∼10% 로 인화성 액체 등으로 구성되어 있다. 리튬이온 배터리 사고는 지속적으로 알려져 왔고, 폐 전지로 분류된 리튬이온 배터리 또한 사고가 지속적으로 발생되어 본 논문에서는 폐 전지로 분류된 리튬이온 배터리에 대한 폭발에 주목하였다. 특히, 폐배터리를 2차 전지로 재이용·재활용하기 위해 배터리를 수집·분류 및 보관과정에서 사고가 발생함에도 안전한 보관을 위한 기준과 방법이 부족하여 이를 마련하는 것을 목적으로 하였다. 리튬이온배터리의 폭발에너지를 추정하고, 그 영향력에 대한 계량적 근거를 계산하기 위해 가연성가스의 폭발에 이용되는 TNT 등가량 산정방법을 준용하였다. 폭발에너지 기반 산정법을 활용하였으며, 폭발 시 발생하는 에너지를 기반으로 TNT 등가량을 산정하였다. 연구의 한계로는 실제 폐배터리에서 DEC와 DMC의 양을 알 수 없어 계산한 폭발력 값의 정확성을 확인하지 못한 것이다. 배터리 내 휘발성 물질이 배터리 충전량에 따라 비례하고, 배터리 용량이 클수록 활성화 에너지가 크고 폭발온도가 더 높게 나타나 폭발력 또한 충전량에 따라 비례할 것으로 예상되나 단순히 전기에너지와 화학에너지를 비교할 수 없어 향후 추가 연구가 필요하다. 근래에 폭발성이 높은 액체 전해질을 대체할 고체 전해질을 사용하는 연구가 활발히 진행 중이며, 기술적인 문제 및 양산기술 개발에 소요되는 기간을 고려하면 2025∼2030년경 서서히 상용화 될 것으로 예상하고 있다. 이로 인해 현재 활발히 사용하고 있는 액체 전해질을 이용한 리튬이온배터리의 폭발성 문제에 대한 해결은 가능할 것으로 판단된다. The rapid development of the electrical, electronic, and information and communication sectors has led to the development of technology along with the demand for individuals to carry IT devices and use them without space constraints. In particular, dual lithium-ion batteries are used as power sources for most state-of-the-art devices due to their high energy density and long life span among several secondary batteries. It is expected that there will be a sharp increase in demand in the future, and waste lithium-ion batteries with 70% to 80% rechargeable capacity will also surge. Lithium-ion batteries are composed of anode, cathode, separation membrane, electrolyte, and case, and electrolyte is known to consist of about 5 to 10% of the battery's weight. In addition to continuously known lithium-ion battery accidents, this paper noted explosions in lithium-ion batteries classified as waste cells, as well as continuous accidents in lithium-ion batteries classified as waste cells. In particular, the purpose was to prepare basic data due to the lack of battery safety management standards and methods for safe storage, even though accidents occurred during the collection and storage classification of waste batteries. In order to estimate the explosive energy of lithium-ion batteries and calculate the quantitative basis for their influence, the calculation method of TNT used in the explosion of flammable gases was applied. The explosive energy-based calculation method was used, and the equivalent amount of TNT was calculated based on the energy generated by the explosion. The calculation requires a schedule assumption. The limitation of the study is that the amount of DEC and DMC in the actual waste battery is unknown, thus failing to confirm the accuracy of the calculated explosive force values. According to existing research, the explosive power is also expected to be proportional to battery charge and the higher the activation energy inside the same battery, but further research is needed in the future because electricity and chemical energy cannot be compared. Recently, research has been underway to use solid electrolytes to replace highly explosive liquid electrolytes, and it is expected to be commercialized gradually between 2025 and 2030, considering technical problems and the time required to develop mass-production technologies. As a result, it is believed that it will be possible to solve the explosive problem of lithium-ion batteries using liquid electrolytes that are currently actively used.

고성능 리튬이온배터리를 위한 실리콘 전극구조 디자인 및 탄소코팅 연구

고근영 서울과학기술대학교 2025 국내석사

제 목 : 고성능 리튬이온배터리를 위한 실리콘 전극구조 디자인 및 탄소코팅 연구 2019년 일본의 요시노 아키라(Akira Yoshino)와 미국 대학의 교수인 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham), 존 굿이너프(John B. Goodenough)는 리튬이 온배터리 개발에 기여한 공로로 노벨 화학상을 공동 수상하며 그 업적을 인정 받았다. 세 사람의 업적이 합쳐져 오늘날의 리튬이온배터리가 탄생하였으며, 이는 현대 사회에서 필수적인 에너지 저장 장치로 자리 잡았다. 리튬이온배터 리는 제조 과정이 저렴하고, 친환경적이기 때문에 현재 전 세계적으로 많이 상용화되어 있고, 고에너지 밀도를 가져 많은 관심을 받고 있는 에너지 소자 이다. 리튬이온배터리는 음극, 양극, 전해질, 집전체 및 분리막으로 구성되며, 음극과 양극 사이에 분리막이 위치하고, 그 사이를 전해질 용액이 채우고 있 는 구조이다. 각각 구성요소의 특성에 따라 소자의 성능이 크게 바뀌며, 특히 양극과 음극의 활물질 고성능화를 위해 많은 연구기관에서 형상, 구조, 조성, 표면개질 등의 연구가 활발히 진행 중이다. 음극 활물질의 한 종류인 실리콘 은 높은 이론 용량 (4200 mAh/g)을 가지며 이는 흑연보다 약 10배 이상 높은 값으로, 고 에너지 밀도 배터리를 구현하는데 유리하다. 또한 실리콘은 지구상 에서 제일 풍부하게 존재하는 물질로, 경제적인 측면에서도 이점이 있는 소재 이다. 이러한 특성 덕분에 실리콘은 전기 자동차 및 대용량 에너지 저장 장치 와 같은 고성능 응용 분야에서 리튬이온배터리의 잠재력을 끌어낼 수 있는 핵 심소재로 평가 받고 있다. 그러나 다른 음극 물질과 비교했을 때, 실리콘은 낮 은 전기 전도성과 충/방전 과정에서 약 400%에 달하는 심각한 부피 팽창 문제 를 동반한다. 이러한 부피 팽창은 고체 전해질 계면 층 (SEI layer)의 반복적인 형성과 파괴를 초래하며, 부반응을 유발하고 실리콘 음극의 열화를 가속화시 킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구 전략이 제안되고 있다. 이 중 전극 구조 제어는 실리콘 전극의 출력 및 안정성을 제어할 수 있는 방법 중 하나이며, 전극의 구조 제어를 위해 스프레이 분무를 통한 적층 구조를 만들 어 전극 구조 개발에 대한 연구를 수행하였다. 또한 실리콘 계면에 탄소 코팅 을 진행하여 용량 및 안정성을 개선할 수 있는 연구를 진행하였다. 이를 통해 실리콘 전극의 전기화학 성능 및 안정성을 개선할 수 있다. 1) 적층 구조로 디자인된 실리콘/탄소나노튜브 음극 기존의 상용화된 캐스팅 방법은 균일하지 않은 코팅, 활물질, 도전재 및 바 인더 분포의 불명확성 등과 같은 엔지니어링적 한계가 존재한다. 본 연구에서 제안한 실리콘과 탄소나노튜브 적층 구조는 이러한 한계를 해결하고자 하며, 실리콘과 탄소나노튜브를 연달아 배치함으로써 우수한 전기화학적 성능을 발 현할 수 있도록 설계되었다. 본 연구에서 개발한 Laminated-Si/CNT 전극은 2000 mA/g의 초고속 전류 밀도에서 500회 순환 후에도 157.58 mAh/g의 높은 용량을 유지하였다. 또한, 100 mA/g 전류 밀도에서 10회 사이클 후 20.02%의 용량 유지율을 기록하였으며, 200 mA/g에서 190회 순환 후에도 우수한 성능을 나타냈다. 이러한 성능 향상은 탄소나노튜브층의 적층을 통한 실리콘 전극의 단점 보완에 기인한다. 첫째, 탄소나노튜브 층의 최상단 코팅이 실리콘 음극활 물질과 전해질의 직접 접촉을 방지하여 부반응을 억제하였다. 둘째, 층별 구조 로 Laminated-Si/CNT 전극은 탄소나노튜브 층의 완충 효과를 통해 전체적인 전극 부피 팽창을 억제하였다. 셋째, 탄소나노튜브 층은 높은 전기 및 이온 전 도도를 제공하여 초고속 사이클 성능을 향상시키는 데 기여하였다. 실리콘과 탄소나노튜브를 층별로 배치한 리튬이온배터리의 음극 구조를 제안하고, 이를 통해 높은 사이클 안정성과 초고속 충/방전 성능을 달성할 수 있음을 입증하 였다. 2) 질소 도핑된 탄소양자점을 코팅한 실리콘 음극 실리콘은 음극활물질 중 낮은 전기전도도를 가지며, 이는 리튬이온배터리의 낮은 전기화학 성능의 주요인 중 하나이다. 본 연구에서 제안한 질소 도핑된 탄소양자점을 코팅한 실리콘 음극은 이러한 한계를 해결하고자, 탄소양자점에 질소 도핑을 하여 전기전도도를 향상시켰고, 이를 실리콘에 코팅하여, 높은 전 기전도도를 갖는 실리콘 음극을 완성하였다. 본 연구에서 개발한 10NCQDs/Si 전극은 2000 mA/g의 고속 전류 밀도에서 300회 사이클 후에도 275.33 mAh/g 의 높은 비용량을 유지하였다. 또한, 200 mA/g 전류 밀도에서 100 사이클 후 47.53%의 용량 유지율을 기록하였다. 이러한 성능 향상은 첫 번째 질소 도핑 된 탄소양자점 코팅을 통해 실리콘의 합금화/비합금화 과정에서 실리콘 전극 의 부반응을 감소시켰다. 두 번째 질소 도핑된 탄소양자점의 높은 전기전도도 는 나노 실리콘 고유의 낮은 전기 전도도를 개선하여 전극의 성능을 개선시켰 음을 입증하였다.

Used Li-ion Battery의 신뢰성 확보를 위한 안전성 평가 방안에 관한 연구

정재범 한국기술교육대학교 일반대학원 2026 국내박사

전 세계적인 전기차(electric vehicle, EV) 시장의 확대에 따라, 가까운 미래에 사용후 배터리의 급격한 증가가 예상되고 있다. 이에 따라, 국내 관계부처 등에서 전기차 폐배터리에 대한 재활용 체계 확립을 위한 지속적인 지원체계를 마련하고 있으며, 에너지저장장치(ESS, energy storage system) 분야에서 재사용하는 방안이 가장 유력한 대안으로 떠오르고 있다. 하지만, 사용후 배터리는 사용 환경에 따라 달라질 수 있는 배터리 특성과 최근 몇 년간 지속적으로 발생하고 있는 ESS 배터리 사고 상황에 따라, 재제조 전의 전수검사가 필수적으로 요구되고 있다. 이에 따라, 전수검사 시간 소요에 따른 양산성 확보에 어려움이 예상되고 있으며, 이를 개선하기 위해 검사의 유효성과 경제성을 확보하기 위한 다양한 시험방법에 관한 연구의 필요성이 커지고 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내 중대형 이차전지에 사용되는 배터리 셀 중 범용으로 활용되는 NMC 계열 각형 및 파우치형 배터리를 대상으로 대표적인 안전성 시험 중의 하나인 외부단락 시험을 수행하기 위한 사고모의 장치를 구현한다. 여기서, 외부단락 시험용 사고모의 장치는 단락저항, 계측장치부, 제어장치부 등으로 구성하며, 다양한 운용환경 시험 조건에 따른 외부단락 특성을 분석할 수 있도록 구현한다. 이를 바탕으로 리튬이온배터리의 형태, 단락저항 및 SOC(state of charge, SOC)에 따른 외부단락 시험을 수행하여, 리튬이온배터리의 전류 및 온도 특성을 제시한다. 전처리 온도와 배터리 모듈 내 보호소자별 외부단락을 수행한 결과, 보호소자에 따른 전류 및 차단시간, 전처리 온도에 따른 외부단락 특성을 확인할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 비교적 신속한 검사 특성을 갖고 있는 내부저항 측정 방법의 다양한 측정 메커니즘을 제시하고, 이를 바탕으로 AC 및 DC 전원부, 계측부, 리튬이온배터리 셀, 퓨즈, 릴레이, BMS(battery management system) 등으로 구성된 중대형 배터리 셀 및 팩의 내부저항 측정용 시험장치를 구현한다. 이를 바탕으로, 실제 NMC 계열의 상용화된 중대형 배터리에 적용하여, 충전도, 건전도(state of health, SOH), 온도 및 방치, 연결부 열화에 따른 내부저항을 실측한 결과, 배터리 재사용을 위한 내부저항 측정 및 안전성 평가에 유효함을 알 수 있다. 한편, 상기에서 제시한 시험장치의 유효성을 검증하기 위하여, 본 논문에서는 리튬이온배터리의 1차 RC Ladder 등가회로 모델을 바탕으로 배터리 내부 파라미터를 산정하고, PSCAD/EMTDC S/W를 이용하여 배터리부, 내부저항 측정장치부, 등으로 구성된 열화평가 시험장치의 모델링을 수행한다. 리튬이온배터리의 등가회로와 모델링을 바탕으로 SOH 및 온도 조건에 따른 내부저항 특성을 평가한 결과, SOH가 증가함에 따라 DC IR이 AC IR보다 비교적 큰 변동폭을 가지기 때문에, SOH에 따른 배터리의 열화 평가는 AC IR보다 DC IR이 더 효과적임을 알 수 있다. 또한, AC IR과 DC IR은 온도 조건에 따라 각각 6[%], 70[%] 정도의 편차가 발생하여, 내부저항을 통해 배터리의 열화를 평가하는 경우 온도 조건을 반드시 고려해야 함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 리튬이온배터리의 등가회로와 열화평가 시험장치의 모델링이 배터리의 내부저항을 바탕으로 SOH 및 온도 조건에 따른 열화 특성을 정확하게 평가할 수 있음을 알 수 있다. Recently, used batteries are expected to dramatically increase according to the expansion of the EV(electric vehicle) market. Accordingly, Korean government has improved the supporting systems for the recycling of used batteries, and in particular, in the field of repurposing, various studies are being conducted for effective evaluation methods that can secure the performance and safety of batteries after use. Repurposing of used batteries is mostly adapted in the field of ESS(energy storage system) for normally used EV batteries and a total inspection before repurposing is required due to battery characteristics. In this paper, we utilize an accident simulation device to perform an external short-circuit test, one of the typical safety tests of IEC 62619, which are widely used in battery cells of medium and large secondary batteries. The device consists of a short-circuit resistance, measurement device section, control device section, etc., to analyze external short-circuit characteristics according to various optional test conditions. Based on the output of the proposed test device, this paper presents the characteristics of current and temperature according to the short-circuit resistance and SOC by performing an external short-circuit test of a Li-ion battery. In addition, as a result of performing an external short-circuit for each protection element in the battery module and pre-processing temperature, the effectiveness of the characteristics of these elements can be evaluated. And also, this paper investigates the operating mechanisms of the IR(internal resistance) test method, and implements a test device for middle and large sized cell and pack. Based on the proposed method, the IR of NMC-type commercial batteries is analyzed with various conditions. Furthermore, in order to validate the proposed test device, this paper estimates internal parameters of Li-ion battery based on the 1st RC Ladder equivalent circuit and performs a modeling of degradation evaluation test device which is composed of battery section, internal resistance measurement device section using PSCAD/EMTDC S/W. From the simulation and test results of internal resistance based on the proposed modeling and test device, the DC IR method can be effective tool to evaluate degradation of battery depending on the SOH compared to the AC IR method because the variation width of DC IR increases more significantly than one of AC IR as the SOH rises. And also, the ambient temperature have to be considered to diagnose the degradation of battery according to the internal resistance because the deviations depending on the temperature condition in AC IR and DC IR are about 6[%] and 70[%], respectively.

리튬이온 배터리의 온도특성을 고려한 분산형 LDC 전원장치의 방전제어기법

이정 성균관대학교 일반대학원 2018 국내석사

이산화탄소 배출 규제 강화로 친환경 전기자동차에 대한 관심이 증가하며 정부의 환경규제 강화 및 정부 정책으로 인한 전기자동차 개발 및 보급이 확산되고 있다. 친환경 전기자동차의 지속적인 연구개발로 인한 사용자의 편의성과 안정성을 증대시키기 위해 차체와 엔진등에 수많은 전자센서와 제어장치가 적용됨에 따라 LDC(Low voltage DC/DC Converter) 전원장치는 95%이상의 효율이 요구되게 된다. HVBAT(High Voltage Battery)의 전기에너지를 자동차 내부의 전장용품의 전력공급 또는 LVBAT(Low Voltage Battery)에 충전 역할을 하고 있는 LDC는 자동차에 안정적인 전력공급을 담당하는 중요한 역할을 하고 있다. LDC 전원장치의 손실은 연비가 저감되어 전기자동차의 시스템에서 고효율의 LDC 전원장치가 요구된다. 일체형 LDC 전원장치를 구성하는 전력 소자들은 HVBAT의 정격을 만족시키기 위해 높은 정격으로 구성되며 높은 정격의 소자로 인한 비용증가와 부피 및 중량이 증가되는 문제를 가지게 되며 입력측 HVBAT의 온도특성을 고려하지 않아 배터리의 수명이 저하되는 문제를 갖는데 이는 수명관리 미흡으로 인한 배터리의 교체주기가 짧아져 교체비용이 증가되는 문제를 초래한다. 본 논문에서는 리튬이온 배터리(Lithium Ion Battery)의 8cell을 한모듈로 구성하고 변압기의 포화를 방지하기 위한 방법으로 클램프 회로를 구성하여 자화 인덕터의 에너지를 입력측 전원으로 되돌리며 영전압 스위칭을 함으로써 효율을 증가시킨다. 또한 변압기 2차 측의 다이오드 정류기와 환류 다이오드 또한 동기식 스위치로 구성함으로써 LDC 시스템의 도통손실을 저감할 수 있는 액티브 클램핑 포워드 컨버터를 이용하여 고효율 LDC 전원장치를 설계하였다. 보통 LDC 전원장치는 1[kW]선에서 설계되지만 본 논문에서는 150[W] 액티브 클램프 포워드컨버터를 3 병렬 450[W]로 LDC 전원장치를 축소 제작하여 논문에서 제안하는 알고리즘의 적용을 확인하였다. 본 논문에서는 450[W]의 LDC 전원장치로 구성하여 입력측의 리튬이온 배터리의 온도특성에 따른 모듈별 전류량제어를 통해 배터리의 온도 불평형 문제를 해결하고 배터리의 수명을 증가시키는 방법을 제안하였으며 시뮬레이션과 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.

고성능 리튬이온배터리 전해질로서 탄소양자점 이온화합물의 연구

이지영 숭실대학교 대학원 2019 국내석사

탄소양자점은 주로 탄소로 구성된 10 nm 미만의 구체형태의 나노 물질로서, sp2 결합의 탄소로 이루어진 내부 구조로 인해 전하가 비편재화 되어있다[1]. 또한 합성방식에 따라 가장자리에 산소 함유 작용기가 많다는 특징이 있다[2]. 이러한 특성을 바탕으로 본 연구에서는 탄소양자점 이온화합물을 합성하고 이를 리튬이차전지의 전해질 염으로 응용하였다. 탄소양자점은 각각 하향식 방식과 상향식 방식으로 합성을 진행하였으며, 탄소양자점 가장자리의 양성자(proton)를 금속 양이온으로 치환하여 탄소양자점 음이온-금속양이온으로 구성된 이온화합물을 얻었다. 합성된 탄소양자점 이온화합물을 수계에서 순환전압전류법 등 전기화학적 분석을 진행하여 지지전해질 특성을 평가했다. 이 중 전해질 성능이 더 우수한, 하향식 방식으로 만들어진 탄소양자점 이온화합물을 리튬이차전지의 전해질 염으로 적용 하였다. 이 때 리튬이차전지에 주로 사용되고 있는 1 M LiPF6 전해액을 실험 대조군으로 사용하였다. 전지특성평가는 정전류충방전실험, 임피던스 분광법을 수행하였으며, 이를 통해 리튬이차전지의 전해질 염으로서의 특성을 평가하였다. 실험 결과 0.2 C C-rate(배터리의 방전율, current rate) 조건 하에서 탄소양자점 이온화합물 전해액은 대조군 LiPF6 전해액에 비해 농도가 약 60배 낮음에도 불구하고 비견할만한 초기 충방전 특성을 보였다(0.0168 M 탄소양자점 이온화합물 : 154 mAh/g, 1 M LiPF6 : 159 mAh/g). 그리고 탄소양자점 이온화합물 전해액은 2.8 ∼ 5.0 V의 전압 범위에서 전기화학적으로 안정함을 확인하였다. 또한 탄소양자점 이온화합물 전해액은 대조군 LiPF6 전해액에 비해 리튬이동수가 더 큰 값으로 확인되었는데(0.0168 M 탄소양자점 이온화합물 tLi+ : 0.62, 1 M LiPF6 tLi+: 0.37), 이는 탄소양자점의 구조적 특징으로 인한 것으로 보인다. Carbon dots are spherical nanomaterials less than 10 nm predominantly composed of carbon. Carbon dots have delocalized charges due to their internal sp2 structure. In addition, there are many oxygen-containing functional groups at the edges and the surfaces, which makes it easy to substitute protons on the surface with metal cations. Based on these characteristics, this study aimed to verify the effectiveness of the carbon dot as an electrolyte salt of lithium secondary battery. The two kinds of carbon dots (top-down and bottom-up) are synthesized and protons at the edges of carbon dots are substituted with metal cations to obtain carbon dot anion-metal cation ionic compounds. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy were investigated in aqueous media for evaluating the characteristics as supporting electrolyte of two ionic compounds. Consequently, the top-down carbon dot ionic compound have better electrolyte performance than bottom-up carbon dot ionic compound. Based on the results of the supporting electrolyte experiments using carbon dot ionic compound, top-down carbon dot ionic compound solution with 0.0168 M was applied to a lithium secondary battery (LIB) electrolyte. 1 M LiPF6, which is generally used in LIB was used as an experimental control. The experimental results showed that the carbon dot ionic compound electrolyte solution under the conditions of 0.2 C C-rate (battery discharge rate, current rate) showed comparable initial charge and discharge characteristics even though the concentration was about 60 times lower than that of LiPF6 electrolyte solution(0.0168 M carbon dot ionic compound : 154 mAh/g, 1 M LiPF6 : 159 mAh/g). Furthermore, the carbon dot ionic compound as an electrolyte is electrochemically stable in the voltage range of 2.8 ∼ 5.0 V. In addition, the carbon dot ionic compound electrolyte was found to have a greater lithium number than the LiPF6 electrolyte(0.0168 M carbon dot ionic compound tLi+ : 0.62, 1 M LiPF6 tLi+: 0.37), which may be due to the structural characteristics of the carbon dots.

철도차량용 리튬이온배터리의 비정상 운용조건을 고려한 안전성 분석 연구

이주예 고려대학교 대학원 2025 국내석사

최근 철도차량을 포함한 다양한 운송 수단에서 내연기관 사용으로 인한 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 리튬이온배터리 기반의 추진 시스템 도입이 활발히 이루어지고 있다. 리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지는 장점이 있지만, 열폭주로 인한 안전성 문제가 존재하므로, 리튬이온배터리를 실제 어플리케이션에 적용하기 전에 다양한 환경 조건에서 실험하거나 해석 모델을 통한 안전성 분석이 필수적이다. 본 연구에서는 전기화학 모델과 열폭주 모델을 하위 모델로 가지는 Multi-Scale Multi-Physics 모델 기반의 리튬이온배터리 셀 모델을 개발하였다. 리튬이온배터리의 전기화학적 거동 모사를 위해 등가회로 모델을 활용하였으며, Hybrid Pulse Power Characterization 실험을 통해 설계되고 검증되었다. 또한 열폭주 거동을 모사하기 위해 4-Equation 모델을 활용하였으며, 이는 선행 연구의 실험 결과를 통해 검증되었다. 본 연구에서는 다양한 환경 조건과 운전 프로파일을 리튬이온배터리 모델에 적용하여 배터리의 안전성을 분석하였다. 또한 외부 단락과 국부 발열과 같은 비정상 운용조건에서의 열폭주 거동 변화를 분석하였으며, 이를 통해 승객 대피 시간 확보와 열폭주 피해를 최소화하기 위한 환경 조건을 도출하였다. 본 연구에서 개발하고 검증한 리튬이온배터리 모델은 다양한 환경 조건과 운전 상황에서 리튬이온배터리의 안전성을 사전에 분석하는 데 활용될 수 있다. 또한 비정상 운용조건에서 도출된 환경별 열폭주 거동 변화의 결과는 리튬이온배터리 운용 안전성을 향상시키기 위한 환경 조건 설정에 기여할 수 있다. In recent years, the adoption of lithium-ion battery-based propulsion systems has been actively pursued across various transportation sectors, including rail vehicles, to reduce carbon dioxide emissions from internal combustion engines. While lithium-ion batteries offer advantages such as high energy density and long lifespan, safety concerns related to thermal runaway remain significant. Therefore, it is essential to conduct comprehensive safety analyses through experimental testing or simulation modeling under various environmental conditions prior to their application in real-world systems. This study presents the development of a lithium-ion battery cell model based on a multi-scale, multi-physics framework, incorporating both electrochemical and thermal runaway sub-models. The Thevenin equivalent circuit model was employed to simulate the electrochemical behavior of the battery, with the model being designed and validated through Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) experiments. To simulate thermal runaway behavior, the 4-Equation model was utilized, which was validated against experimental data from previous studies. The developed model was applied under various environmental conditions and operational profiles to analyze the battery’s behavior. Additionally, thermal runaway behavior under abnormal operating conditions, such as external short circuits and external heating, was investigated. From this analysis, key environmental conditions were identified to ensure sufficient evacuation time and minimize damage caused by thermal runaway. The lithium-ion battery model developed and validated in this study can be utilized for preemptive safety analysis of lithium-ion batteries under a wide range of environmental and operational conditions. Furthermore, the findings regarding changes in thermal runaway behavior under abnormal conditions provide valuable insights for establishing safe operating conditions, contributing to enhanced safety in lithium-ion battery applications.

전기차 리튬이온배터리 재활용에 따른 자원순환 잠재량과 온실가스 감축 연구

오정훈 세종대학교 대학원 2025 국내박사

The global electric vehicle(EV) market is rapidly expanding due to advancements in technology and the need to address the climate crisis. EVs are powered by electricity stored in batteries and can significantly reduce greenhouse gas(GHG) emissions when charged with electricity generated from renewable energy sources. Alongside the growth of the EV industry, lithium-ion batteries(LIBs), known for their high energy density, are also being widely adopted. The production of LIBs relies on critical raw materials such as cobalt, nickel, and lithium, making the stable supply of these resources crucial. Since some of these raw materials are mined in only a few countries, disruptions in supply due to international geopolitical situations can adversely affect the battery industry. To address this, major countries are strengthening policies to secure critical battery materials. The European Union and the United States have introduced measures such as the EU Battery Regulation and the Inflation Reduction Act to ensure a stable supply of battery materials. Notably, starting in 2031, batteries sold in the EU must include a certain proportion of recycled materials for cobalt, nickel, and lithium. this study quantitatively forecasts the potential of recycled materials that can be used in domestic battery manufacturing and analyzes the GHG abatement effects of using recycled materials. To achieve this, the study examines the entire life cycle of batteries, from raw material input to disposal, and employs material flow analysis(MFA) to estimate the recycled materials content rate. The results of the MFA were compared to the mandatory recycled material content rates stipulated in the EU Battery Regulation. The GHG reduction effects were analyzed using a life cycle assessment(LCA) by calculating the reduction in GHG emissions achieved when using recycled materials instead of virgin raw materials. According to the MFA results, the recycled material content rates for batteries with high nickel and cobalt content are estimated that by 2030, cobalt 13.4%–13.6%, nickel 13.1%–13.3%, lithium 12.2%–12.4%, and by 2035, cobalt 17.5%–18.4%, nickel 16.9%–17.8%, lithium 15.3%–16.0%. Comparison with the EU Battery Regulation shows that the recycled content for cobalt falls short of the mandated targets, while nickel and lithium surpass the requirements, though the gap narrows over time. Specifically, it was found that meeting mandatory recycled content rate is challenging when batteries with high nickel and cobalt content are predominantly used. Using recycled materials instead of virgin materials for cobalt, nickel, and lithium was found to significantly reduce GHG emissions. Batteries with high nickel and cobalt content showed greater relative GHG reduction effects than lithium iron phosphate(LFP) batteries. Under the scenario where nickel-cobalt-based batteries dominate the domestic EV market, using recycled materials could reduce annual GHG emissions by an average of 404 thousand tons from 2030 to 2035. For LFP batteries, the average annual reduction during the same period is estimated at 246 thousand tons. This study quantitatively assessed the potential for using recycled materials in domestic EV batteries and calculated the associated GHG reduction effects and provided the following implications. First, recycling policies, such as the Extended Producer Responsibility, should be considered to ensure the long-term availability of recycled materials. Second, to reduce the demand for cobalt and nickel, the use of LFP batteries should be expanded, and cathode materials with lower cobalt and nickel content should be developed. Third, policies offering incentives for the use of recycled materials are necessary, given the significant GHG reduction benefits compared to virgin materials. So far, the researches of quantitative analyses on the potential of recycled materials from electric vehicle batteries have primarily focused on global regions. This study, however, focuses on domestic electric vehicle batteries to conduct a detailed analysis of the potential for recycled materials and the greenhouse gas reduction effects. This study contributes to its provision of information to support the formulation of recycling policies and risk preparedness, securing the sustainability of the domestic EV battery market. Keywords : Electric vehicle, Lithium-ion battery, Recycled material, Material flow analysis, Life cycle analysis 전 지구적 기후위기 대응을 위한 수단의 하나로서 글로벌 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차는 전기를 동력원으로 배터리에 전기를 저장 하여 사용하는 자동차이다. 전기차는 재생에너지 발전에서 생산된 전기를 사용할 경우 온실가스 감축 잠재력이 높은 운송수단이다. 전기차산업이 활 성화되면서 높은 에너지밀도로 전기 저장이 가능한 리튬이온배터리도 빠르 게 보급되고 있다. 리튬이온배터리는 생산 과정에서 코발트, 니켈, 리튬과 같은 희소금속을 사용하고 있어 자원을 안정적으로 확보하는 것이 중요하다. 일부 원료는 소수의 국가에서만 채굴이 가능하여 국제 정세에 따라서 원료 확보가 어려 운 상황이 발생하면 배터리산업은 큰 타격을 받을 수 있다. 이에, 주요 국 가들은 배터리 재활용원료 확보를 위한 방안을 강화하고 있다. EU와 미국 은 배터리 재활용원료에 대하여 각각 EU 배터리규제와 인플레이션감축법 을 도입함으로써 안정적인 배터리 원료 공급을 추진하고 있다. EU에 배터 리를 판매하려면 2031년, 2036년 규정된 코발트, 니켈, 리튬 재활용원료를 일정 비율 이상 의무적으로 사용하여 배터리를 생산하여야 한다. 이 연구는 국내 사용후 배터리와 폐스크랩으로부터 만들어지는 리튬이온 배터리 재활용원료의 자원순환 잠재량을 정량적으로 전망하고, 재활용원료 사용 시 온실가스 감축 효과에 대하여 연계하여 분석하였다. 이를 위해 원 료 투입부터 배터리 폐기까지 배터리 전과정 프로세스를 분석한 후 물질흐 름분석을 사용하여 재활용원료 사용비율을 전망하고, EU 배터리규제에서 규정한 재활용원료 의무함량비율과 비교하여 기준을 만족하는지 확인하였 다. 전과정평가를 사용하여 천연원료 대비 재활용원료 사용 시 온실가스 감축량을 계산하고, 이를 통해 온실가스 감축 효과를 분석하였다. 물질흐름분석 결과, 니켈・코발트 함량이 높은 배터리를 사용할 경우 재 활용원료 사용비율은 2030년은 코발트 13.4~13.6%, 니켈 13.1~13.3%, 리튬 12.2~12.4%로 나타났고, 2035년은 코발트 17.5~18.4%, 니켈 16.9~17.8%, 리 튬 15.3~16.0%로 나타났다. EU 배터리규제의 재활용원료 의무사용비율 기 준을 적용했을 때 코발트 재활용원료 사용비율은 의무사용비율을 만족하지 못했다. 니켈과 리튬 재활용원료 사용비율은 의무사용비율을 만족했으나 시간이 지날수록 비율 간 격차가 줄어드는 것으로 나타났다. 특히, 니켈・코 발트 함량이 높은 배터리를 많이 사용할 경우 재활용원료 사용비율은 의무 사용비율을 맞추기 어려운 것으로 나타났다. 코발트, 니켈, 리튬에 대하여 천연원료 대비 재활용원료를 사용할 경우 온실가스 감축 효과가 높은 것으로 나타났다. 니켈・코발트 함량이 높은 배 터리를 사용할 경우 리튬인산철 배터리를 주로 사용하는 경우와 비교하여 상대적으로 재활용원료 사용으로 인한 온실가스 감축 효과가 높았다. 니 켈・코발트 함량이 높은 배터리를 주로 사용할 경우 2030년부터 2035년까지 연평균 온실가스 40.4만 톤을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 리튬인산철 배터리를 주로 사용할 경우 2030년부터 2035년까지 연평균 온실가스 24.6 만 톤을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구는 국내 전기차 배터리 재활용원료 자원순환 잠재량과 온실가스 감축 효과를 분석함으로써 아래와 같은 시사점을 얻을 수 있었다. 첫째, 장 기적인 재활용원료 확보를 위해서 리튬이오배터리 대상 생산자책임재활용 제도와 같은 재활용 정책 도입 검토가 필요하다. 둘째, 니켈・코발트에 대한 배터리 원료 수요를 줄이기 위하여 리튬인산철 배터리의 사용을 확대하고, 니켈・코발트 함량이 낮은 양극재 소재를 개발해야 한다. 셋째, 천연원료 대 비 재활용원료 사용 시 온실가스 감축 효과가 크기 때문에 재활용원료를 사용할 경우 인센티브를 제공하는 정책이 필요하다. 그동안 전기차 배터리 재활용원료 자원순환 잠재량에 대하여 주로 글로 벌 지역을 대상으로 정량적 분석 연구가 진행되어 왔고, 본 연구는 국내 전기차 배터리를 연구 대상으로 하여 재활용원료 자원순환 잠재량과 온실 가스 감축 효과를 면밀히 분석하였다. 본 연구는 국내 전기차 배터리 시장 의 지속가능성을 확보하기 위하여 재활용 정책 수립 및 리스크 대비를 위 한 정보를 제공하였다는 측면에서 의미가 있다. 주요어 : 전기차, 리튬이온배터리, 재활용원료, 물질흐름분석, 전과정평가

폐리튬이온배터리의 양극재 황산침출에 미치는 탄소열환원의 영향

안영진 한국해양대학교 대학원 2023 국내석사

유가금속인 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 함유하는 폐리튬이온배터리(spent Lithium-Ion Battery, spent LIB) 발생의 급증에 대비해 효율적인 재활용 공정 구축이 필요하다. 상용 재활용 공정의 황산 침출 공정은 회분식으로 운영되고 있으나 급증하는 폐리튬이온배터리 발생량을 처리하기 위해서는 연속침출공정 개발이 요구된다. 본 연구에서는 양극재를 환원시키기 위해 침출 공정 전에 환원배소를 수행하고 황산만으로 침출이 가능하도록 처리하는 연구를 수행하였다. 환원배소 시 환원제로는 음극재인 흑연을 활용하고자 탄소 성분을 선택하였다. 폐리튬이온배터리 양극재에 시약급 탄소(활성탄 및 흑연)를 일정한 비율로 혼합하여 배소공정에 이용하고, 환원 배소 후 황산 침출하여 유가금속인 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 침출 거동을 확인하였다. 탄소성분 이용 환원배소 가능성을 확인하기 위하여 배소온도(600~900℃), 환원제 종류(활성탄, 흑연, 폐음극재), 당량비 조건을 변수로 설정하였다. 배소시간(60min), 배소 온도 상승 속도(7℃/min), 주입 가스 및 유량(Ar 0.7L/min), 침출 조건(교반속도 : 400rpm, 온도 : 90℃, 광액 농도 : 25%, 침출액 : 1M H2SO4, 시간 : 120min) 등 다른 조건은 고정하였다. 활성탄을 이용하여 배소했을 때 배소온도 600, 700, 800℃에서 리튬, 니켈, 코발트, 망간의 침출 효율은 99.9% 이상이다. 흑연을 이용하여 배소하였을 때 모든 금속의 침출 효율은 98% 이상이다. 폐음극재를 이용하여 배소하였을 때 리튬과 망간 침출률 99.9%이상, 니켈 침출률 96.5% 이상, 코발트 침출률 99.7% 이상이다. 활성탄과 폐음극재의 경우 당량비가 클수록 침출 효율이 증가하며 흑연의 경우 당량비와 무관하게 모든 금속 침출률은 98% 이상으로 나타나 환원배소 후 황산침출공정에 의해 유가금속성분이 성공적으로 침출된 것을 알 수 있었다. An efficient recycling process of spent lithium ion batteries (LIB) is required to prepare for a rapid increase in the generation of spent LIB containing valuable metals such as lithium(Li), nickel(Ni), cobalt(Co), and manganese(Mn). The continuous leching process will replace the batch sulfuric acid leaching in commercial leaching processes to treat the rapid increasing amount of spent LIB. In the present study, the process using sulfuric acid leaching after roasting process with carbon sources, which reduce cathode materials, was investigated, and spent graphite, which is used as anode material in LIB, was chosen as a reductant during the roasting process. A sample mixture was used in the roasting process, by mixing the cathode materials of spent LIB and reagent-grade carbon sources (activated carbon or graphite) with a designated ratio, and the leaching behaviors of Li, Ni, Co, and Mn were examined. In a typical run of roasting and leaching tests was performed under the following conditions; roasting time 60 min, heating rate 7℃/min, Ar gas inlet 0.7L/min, agitation speed 400 rpm, leaching temperature 90℃, pulp density 25%, leaching solution 1M H2SO4, and leaching time 120min. The effects of roasting temperature (600~900℃), the type of reductant (activated carbon, graphite, and spent anode materials), equivalent ratio on the leaching were investigated to confirm the feasibility of roasting process. At 600, 700, 800℃ of roasting temperature, the leaching efficiencies of lithium, nickel, cobalt, and manganese increased over 99.9% after roasting with activated carbon, while the leaching efficiencies reach over 98% after roasting with graphite. When the spent anode materials were used as a reductant, the leaching efficiencies of Li and Mn were over 99.9%, and the efficiencies of Ni and Co were 96.5% and 99.7%, respectively. In the cases of activated carbon and spent anode materials, the leaching efficiencies increased with increasing the equivalent ratio, and, in the case of graphite, the leaching efficiencies of metals was found to be over 99% regardless of the equivalent ratio. These results indicate that the valuable metals were leached successfully in the sulfuric acid leaching process after reduction roasting.

리튬이온배터리 양극 재합성 시 잔존하는 구리의 전기화학적 영향

조민상 세종대학교 대학원 2018 국내석사

최근 리튬이온배터리의 사용량이 증가함에 따라 수명이 다한 리튬이온배터리의 폐기량 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 폐리튬이온배터리의 재활용이 중요해지며 관련 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 폐리튬이온배터리 재활용 시 잔존하는 구리의 전기화학적 영향에 대해 연구하기 위하여 공침 반응을 통해 수산화물 전구체 Cux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-x(OH)2를 합성하였으며 열처리 과정을 통해 LiCux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-xO2 양극활물질을 합성하고 전지를 제작하여 전기화학 성능 평가를 수행하였다. X-선 회절 분석을 통하여 전구체에 구리가 함유되었을 때 결정 구조의 불완전성이 증가함을 확인하였다. 또한 격자 상수의 감소와 (003)과 (104) 피크의 넓이비의 감소로부터 전구체의 구리 함량이 증가함에 따라 Li/Ni 양이온 혼합(cation mixing)이 심화되는 것을 확인하였다. 3.0-4.3 V의 전압 구간에서 전기화학 성능 평가를 진행하여, 구리 함량이 증가함에 따라 초기 충·방전 용량, 출력 특성, 수명 특성 등의 전기화학 성능이 저하되는 경향을 확인하였다. 따라서 폐리튬이온배터리로부터 양극활물질을 재합성할 때 침출 용액에 잔존하는 구리를 제거하는 과정이 필요할 것으로 보인다. As the production and consumption of LIBs increase, the treatment or recycling of spent LIBs appears inevitable from environmental and economic point of view. In this work, LiCux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-xO2 cathode active materials are synthesized from co-precipitated hydroxide precursors Cux[Ni1/3Co1/3Mn1/3]1-x(OH)2, and the effect of residual Cu in the precursors on the electrochemical properties of their corresponding cathode active materials is investigated. Four kinds of precursors that contain different amounts of Cu are selected depending on different conditions of the solution composition for the co-precipitation. It is confirmed that the introduction of Cu to the precursors reduces the degree of structural perfection by X-ray diffraction analysis. Undesirable Li/Ni cation mixing occurs with the increasing Cu content of the precursors, which is inferred from a decline in lattice parameters and the calculated intensity ratio of (003) and (104) peaks. In the voltage range of 3.0-4.3 V, the initial charge/discharge capacities, rate capability, and the cyclability of the cathode active materials are aggravated when Cu exists in the precursors. Therefore, it could be concluded that the removal process for Cu in a solution for co-precipitation of precursors is necessary in the resynthesis of cathode active materials from spent LIBs.