탭 형상 설계에 따른 원통형 리튬 이온 전지의 성능 영향 수치해석 연구

Abstract

리튬 이온 전지는 에너지 저장 용량이 크며 친환경적인 특성을 가지기 때문에 근미래의 에너지 산업 분야에서 주요한 역할을 할 것으로 예측된다. 하지만 고용량의 에너지를 저장하기 위해 배터리 셀의 크기를 증가시킬수록 과전압을 원인으로 하는 내부 저항은 증가하며 배터리의 성능을 감소시킨다. 내부 저항은 전지의 전위와 온도 불균형의 영향을 받으며 탭의 형상 설계는 이러한 요인들과 직접적인 관련이 있다. 본 논문은 내부 저항의 영향을 가장 많이 받는 원통형 리튬 이온 전지의 성능 분석을 통해서 탭 설계와 성능 영향을 연구하였다. 전지 형상은 탭의 개수와 위치를 변수로 8가지 종류로 설계되었고 수치해석 모델을 이용하여 성능을 평가하였다. 수치해석은 Multi-Scale Multi Domain(MSMD) 모델을 사용하며 3차원 전기 화학 반응을 계산하여 배터리의 성능, 내부의 전류 밀도 및 온도 분포를 계산하였다. 리튬 이온 전지의 내부 저항은 탭의 형상에 따라 불균형성이 커질 때 증가하였다. 탭의 주변부에는 국부적으로 전류 밀도 및 온도 분포의 불균형성이 발생하며 탭의 개수가 적고 원통형 전지의 내부에 위치할 경우에 그 정도가 심화되었다. 추가적으로 앞의 경향성을 기반으로 리튬 이온 전지 내부의 불균형성을 줄이기 위해서 동일한 개수 조건에서 위치를 변수로 설계한 탭 형상 Type1과 Type2를 해석하여 기존의 모델들과 비교하였고 총체적 불균형성의 감소와 배터리의 용량 증가의 연관성을 재확인하였다. 따라서 본 논문은 탭의 형상과 리튬 이온 전지의 성능 감소 사이의 연관성을 검증하였고 적절한 탭 형상 설계로 리튬 이온 전지의 성능 증가가 가능하다는 결론을 내렸다.

Lithium-Ion battery is expected to play a major role in the energy industry for near future because of their large energy storage capacity and eco-friendly characteristics. However, as the size of the battery cell increases to store high-capacity energy, the internal resistance caused by overvoltage increases and performance of the battery decreases. Internal resistance is affected by the cell potential and temperature imbalance and shape design of the tab is directly related to these factors.

In this paper, the tab design and performance effect were studied through the performance analysis of the cylindrical Lithium-Ion battery, which is most affected by internal resistance. Battery shape was designed into eight types with the number and location of tabs as variables, and the performance was evaluated by using a numerical analysis model. Numerical analysis used the Multi-Scale Multi-Domain(MSMD) model and derived the batterys performance, internal current density, and temperature distribution by calculating the 3 dimensional electrochemical reaction.

Internal resistance of the Lithium-Ion battery increased when the imbalance grew up according to the shape of the tab. At the periphery of the tab, local imbalance of current density and temperature distribution occurs and the degree is aggravated when the number of tabs is small and located inside the cylindrical battery. In addition, based on the preceding trend, to reduce the imbalance inside the Lithium-Ion battery, the tab shape Type1 and Type2, which were designed with the location as a variable under the same number condition, were analyzed and compared with the existing models and the tendency of increase was reconfirmed. Therefore, in this paper, the relationship between the tab shape and the performance degradation of Lithium-Ion battery was verified. It concluded that it is possible to increase the performance of the Lithium-Ion battery with an appropriate tab shape design.