리튬이온 배터리셀의 비선형 구조-전기화학-열 연성해석 기법 개발 및 기계적 오용에 의한 열폭주 및 전기적 용량손실에 대한 연구 = Development of nonlinear mechanical-electrochemical-thermal coupled analysis method of lithium-ion battery cells and study on thermal runaway and capacity loss by mechanical abuse

국문 초록 (Abstract)

최근 전기자동차 증가로 인하여 기계적 하중으로 유발되는 리튬이온 배터리 (LIB) 열폭주 및 용량 손실 사례가 증가하고 있다. 기계적 하중으로 인한 열폭주 및 용량 손실 매커니즘을 실험을 통해 분석하는 것은 매우 위험하기 때문에 전산 수치 해석을 통한 매커니즘 분석이 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 기존 연구에서 사용된 균질화된 LIB모델 및 RVE (Representative volume element) 모델은 열폭주 및 용량 손실을 유발하는 기계적 응답을 정확히 계산할 수 없었다.
본 연구에서는 비선형 상세 레이어 (Nonlinear mechanical detailed layered, NDL) 모델을 개발하고 NDL 모델을 기반으로 정확한 기계적 응답을 계산하여 열폭주 및 용량 손실 해석용 비선형구조-전기화학-열 연성해석 기법을 개발하였다. 이를 활용해 국제 표준에서 명시한 기계적 오용(Crush, Shock) 조건에서 열폭주 및 용량 손실을 성공적으로 해석하여 NDL 모델 기반으로 개발된 연성 해석 기법의 정확성과 실용적인 우수성을 나타냈다. NDL 모델은 LIB셀의 기계적 비선형 거동과 분리막 파손으로 인한 내부단락 매커니즘을 정확히 예측하기 위해 알루미늄 포일, 구리 포일, 분리막, 음극, 양극 레이어 갯수와 두께를 정확히 반영하여 상세 레이어로 구성하였다. 또한 변형 속도로 인한 경화 특성을 고려한 재료의 비선형성과 전극과 분리막의 이방성을 고려하여 분리막 파손으로 인한 내부단락을 정확히 예측하도록 했다. NDL 모델은 3가지 압입 시험에 의한 하중-변위 곡선, 내부단락 발생 순간 및 위치, 그리고 분리막 파손 형태를 시험 결과와 비교하여 정확히 검증되었다.
NDL 모델을 활용해 기계적 하중에 의한 열폭주 현상을 분석하기 위해 내부단락으로 인한 전압강하, 온도상승을 동시에 해석할 수 있는 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법을 구현하였다. 전기화학 모델은 Randle circuit으로 구성되며 충전량에 따른 에너지 총량을 고려하였으며 방전과 내부단락에 따른 발열량을 계산하였다. 열 모델은 전기화학 모델에서 계산된 발열을 입력 받아 시간에 따른 온도를 계산하였다. 파우치 셀에 대한 구형 펀치 압입 시험과 기계적 반력, 전기적 전압, 전류, 그리고 시간에 따른 온도 변화 결과를 비교하여 제안된 연성 해석 기법을 검증하였다. 그리고 전기화학-열 모델만을 고려한 기존 설계 방법으로 용량 증가를 위해서 LIB셀 설계를 변경할 경우, Crush test 조건에서 열폭주 안전성이 확보되지 못함을 보였다. 이를 개선하기 위해 기존 설계 방법에서 추가로 열폭주 예측용 연성 해석 기법을 이용해 Crush test 조건에서 분리막 두께에 대한 파라메트릭 스터디를 수행하고 열폭주 안전성이 확보된 설계안 도출 과정을 보였다. 이를 통해 NDL 모델을 기반한 연성 해석 기법의 유용성을 확인하였다.
LIB 분야에서 또 다른 문제인 용량 감소 현상을 분석하기 위해 shock test 조건에서 기계적 파손과 용량 감소를 해석할 수 있는 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법을 NDL모델을 기반으로 구현하였다. 전기자동차용으로 상용화된 60Ah 파우치 셀과 단면적은 동일하고 용량에 비례하여 길이를 증가시킨 가상의 대용량 파우치 셀 (120, 180, 240Ah)에 대해 국제 표준(UN.38.3.T4) 명시된 Shock test를 수행하였다. 셀은 길이가 증가할수록 집전판과 전극사이 박리 비율은 증가하였고 박리 비율이 높을수록 용량 손실이 증가되었다. 용량 손실 원인은 박리로 인한 분극 증가로 나타났다. 이에 대한 근거로 분극으로 인한 발열량이 용량 손실량과 일치함을 확인하고 HPPC 시험을 통해 분극 증가를 확인하였다. 이를 통해NDL 모델의 정확한 기계적 응답을 기반한 연성해석 기법의 유용성을 다시 한번 확인하였다.
본 연구에서 개발된 NDL 모델 기반 연성 해석 기법을 활용한다면 국제 규정과 표준에 명시된 기준을 만족하면서 목적에 맞는 LIB 최적 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 기술이 보편화 된다면 위험한 실험을 최소화하면서 안전한 LIB 제품 개발 기간을 단축하여 LIB 및 전기자동차 대중화에 기여할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 1 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 동기 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.2.1 LIB의 기계적 특성 및 수치해석 기법 연구 4
• 1.2.2 LIB 기계적 평가에 대한 국제 규정 및 표준 11
• 1.3 연구 목표 및 논문 구성 16
• 2 리튬이온 배터리의 정확한 기계적 변형 및 내부 단락 예측을 위한 비선형 상세 레이어 모델 개발 18
• 2.1 리튬이온배터리셀 비선형 상세 레이어 모델 18
• 2.1.1 상세 레이어 리튬이온 배터리셀 모델 수치해석 방법 18
• 2.1.2 리튬이온배터리셀 구성요소의 재료비선형성 20
• 2.2 NDL 모델의 검증 및 RVE 모델과의 비교 32
• 2.3 요약 37
• 3 NDL 모델 기반 기계-전기화학-열 연성 해석 기법을 이용한 열폭주 해석 38
• 3.1 열폭주 예측용 상세 레이어 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법 40
• 3.1.1 상세 레이어 비선형 기계 모델 41
• 3.1.2 전기화학-열 연성 모델 42
• 3.2 열폭주 해석용 연성 해석 기법 검증 45
• 3.2.1 준정적 압입 시험 프로세스 및 해석 조건 45
• 3.2.2 열폭주 해석용 연성 모델 검증 결과 48
• 3.3 열폭주 예측용 연성 해석 기법을 이용한 Crush test 조건에서 용량 증가를 위한 LIB 설계 변경 52
• 3.3.1 전기화학-열 모델만을 이용한 LIB셀 용량 증가를 위한 설계 변경 52
• 3.3.2 SAE-J2464 Crush test에 의거한 열폭주 안전성 해석 조건 58
• 3.3.3 SAE-J2464 Crush test 조건에서 열폭주 안전성 평가 결과 62
• 3.3.4 파라메트릭 스터디를 통한 열폭주로부터 안전한 분리막 두께 도출 66
• 3.4 요약 69
• 4 NDL 모델 기반 기계-전기화학-열 순차적 해석 기법을 이용한 용량 손실 해석 70
• 4.1 용량 손실 예측용 상세 레이어 비선형 기계-전기화학-열 연성 해석 기법 72
• 4.1.1 전기화학-열 연성 해석 수치모델 72
• 4.2 Shock test 조건에서 전기자동차용 대용량 LIB셀 해석 결과 비교 분석 78
• 4.2.1 Shock test 대상: 전기차용 대용량 파우치 타입 LIB셀 78
• 4.2.2 UN.38.3.T4 Shock test에 의거한 용량 손실 해석 조건 79
• 4.2.3 Shock test 조건에서 전기차용 대용량 LIB셀 해석 결과 84
• 4.3 요약 93
• 5 결 론 94
• References 96
• ABSTRACT 110
• 감사의 글 113