음극 탭 단선 상황에 따른 방전 중 비정상적 리튬 석출 메커니즘에 대한 수치해석적 연구 = Numerical Analysis of the Abnormal Lithium Deposition Mechanism during Discharge due to Anode Tab Disconnection

국문 초록 (Abstract)

환경 보호에 대한 관심이 증가함에 따라 전기자동차 시장이 성장하고 있으며, 이에 따라 리튬 이온 배터리 시장도 빠르게 확대되고 다양한 기술적 진보가 이루어지고 있다. 그러나 여전히 안전성에 대한 다양한 우려가 존재하며, 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 제조 공정 중 또는 배터리 사용 중 발생할 수 있는 탭 단선 상황의 위험 발생 메커니즘에 대해 면밀히 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 위험 상황이 발생할 수 있는 다양한 케이스에 대한 연구를 수행하였으며, 음극 탭 단선 상황에서 위험 상황이 발생할 수 있음을 확인하였다. 추가적으로 실제 셀을 제작하여 시뮬레이션 결과와 비교를 진행하여 신뢰성을 확보하였다.
결과적으로, 충전된 상황에서 음극 탭의 단선이 발생할 경우 리튬 석출 현상이 단선이 발생한 음극 모서리에서 집중적으로 발생할 수 있음을 확인하였으며, 일반적으로 알려진 사실과는 다르게 충전 상황이 아닌 방전 상황에서 해당 현상이 발생하는 것을 발견하였다. 이는 탭의 단선이 발생하지 않은 정상 전극의 오버행(overhang) 영역으로부터 리튬 이온이 전해질 내 농도 구배로 인해 전기적 단선이 발생한 전극으로 이동하게 되는 현상으로 인해 전기적 단선이 발생한 음극 모서리에서 국부적으로 높은 SOC를 형성하게 된다. 또한, 해당 영역에서의 극심한 전해질 상의 농도 구배로 인해 전해질 전위가 상승하며, 리튬 석출 전위가 발생하는 것이 주요 원인으로 파악되었다.
또한, 본 시뮬레이션 결과를 바탕으로 음극 탭 단선을 구현한 실제 셀을 분해 및 분석한 결과, 단선된 음극 모서리에서 리튬 석출 현상이 발생한 모습을 확인할 수 있었다. 사이클 진행에 따라 정상 전극에서의 리튬 이온 이동으로 인한 가용 리튬의 손실이 발생함으로써 사이클 진행 시 용량 감소가 더욱 크게 나타남을 확인하였으며, 시뮬레이션 결과 오버행 안쪽 영역으로까지 리튬 석출 현상이 확장되어 위험 상황을 초래할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 서론 (Introduction) 1
• 실험 방법론 (Experimental setup) 6
• 수치해석방법 (Numerical methode) 10
• 결과 및 논의 23
• 결론 42
• 참조 논문 44