리튬이온배터리 반셀 제조 및 충방전 특성 분석

본 내용은 " [서강대 첨단화학기기분석실험 레포트] Exp2. Lithium-ion Battery Fabrication " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.09.07

문서 내 토픽

• 1. 리튬이온배터리 구성 요소

  리튬이온배터리는 양극(Cathode), 음극(Anode), 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 구성된다. 양극은 NCM523(니켈-코발트-망가니즈 산화물)을 사용하며 이론용량은 155mAhg⁻¹이다. 음극은 흑연을 사용하고, 전해질은 LiPF6 염과 EC/EMC(3/7 v/v) 용매에 VC 첨가제를 포함한다. 분리막은 폴리올레핀 계열(PE/PP)을 사용하여 양극과 음극 간 전기적 단락을 방지하면서 Li⁺ 이동을 허용한다.

• 2. 충방전 메커니즘 및 CC/CV 충전

  방전 시 음극의 Li는 Li⁺과 전자로 분리되어 Li⁺은 전해질을 통해 양극으로, 전자는 외부 회로를 통해 이동한다. 충전 시에는 역반응이 일어난다. CC(정전류) 과정에서는 일정 전류로 충전하되 전압이 증가하므로, 과전압 방지를 위해 CV(정전압) 과정으로 충전을 완료한다. 본 실험에서는 4.3V까지 CC/CV로 충전하고 2.8V까지 CC로 방전하였다.

• 3. SEI/CEI 층 형성 및 Formation Cycling

  Formation Cycling은 첫 충방전 과정으로 화성 공정의 80%를 차지한다. 이 과정에서 전해질이 전극 표면에서 분해되어 SEI(고체전해질계면, 음극)와 CEI(양극전해질계면, 양극)층이 형성된다. 이 층은 전자 전도도는 낮지만 Li⁺ 전도도는 높아 과전압을 완화하고 균일한 전류 분포를 돕는다. 초기 쿨롱 효율이 87.62%에서 2차 사이클 99.7%로 증가한 이유는 CEI 층 형성으로 인한 비가역 반응 때문이다.

• 4. 쿨롱 효율 및 배터리 성능 평가

  쿨롱 효율(Coulombic Efficiency)은 충전 용량에 대한 방전 용량의 비율로, 배터리 수명을 측정하는 지표이다. 본 실험에서 1차 사이클 CE는 87.6%, 2차 사이클 CE는 99.7%로 계산되었다. 초기 CE가 낮은 이유는 Li⁺이 CEI 층 형성에 소비되기 때문이다. 리튬이온배터리는 일반적으로 95% 이상의 높은 쿨롱 효율을 보이며, 이는 다른 배터리 종류보다 긴 수명을 의미한다.

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• 1. 리튬이온배터리 구성 요소

  리튬이온배터리의 구성 요소는 배터리 성능을 결정하는 핵심 요소입니다. 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 각 구성 요소의 재료 선택과 설계가 에너지 밀도, 안전성, 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 양극 재료의 경우 LCO, NCM, LFP 등 다양한 화학 조성이 있으며, 각각 에너지 밀도와 안전성의 트레이드오프를 가지고 있습니다. 음극 재료로 사용되는 흑연의 구조적 특성과 전해질의 이온 전도도는 배터리의 충방전 속도와 효율성을 좌우합니다. 분리막의 다공성과 투과성은 이온 이동을 촉진하면서도 내부 단락을 방지하는 중요한 역할을 합니다. 따라서 각 구성 요소의 최적화는 고성능 배터리 개발의 필수 조건이며, 지속적인 재료 혁신이 필요합니다.

• 2. 충방전 메커니즘 및 CC/CV 충전

  CC/CV 충전 방식은 리튬이온배터리의 표준 충전 프로토콜로서 배터리 수명과 안전성을 보장하는 효과적인 방법입니다. CC(정전류) 단계에서는 배터리가 빠르게 충전되며, 전압이 설정된 상한값에 도달하면 CV(정전압) 단계로 전환되어 충전 전류가 점진적으로 감소합니다. 이러한 두 단계의 조합은 충전 시간과 배터리 건강성 사이의 균형을 맞춥니다. 충방전 메커니즘의 관점에서 리튬 이온의 삽입과 탈출 과정은 고체 확산과 전자 전달을 포함하는 복잡한 전기화학 반응입니다. 과도한 충전이나 방전은 구조적 손상과 사이클 수명 감소를 초래하므로, CC/CV 충전의 정확한 제어는 배터리 성능 유지에 매우 중요합니다.

• 3. SEI/CEI 층 형성 및 Formation Cycling

  SEI(고체전해질계면) 층의 형성은 리튬이온배터리의 초기 사이클 동안 발생하는 중요한 현상으로, 배터리의 장기 성능을 결정합니다. SEI 층은 음극 표면에서 전해질의 환원 분해로 인해 형성되는 보호막으로, 리튬 이온의 통과는 허용하면서 전자의 이동을 차단합니다. 마찬가지로 양극에서는 CEI(양극전해질계면) 층이 형성되어 유사한 보호 기능을 수행합니다. Formation Cycling은 이러한 계면 층을 안정화시키기 위한 초기 충방전 과정으로, 저전류에서 천천히 진행되어 균일하고 안정적인 SEI/CEI 층을 형성합니다. 이 과정이 제대로 수행되지 않으면 불안정한 계면층으로 인해 사이클 수명이 단축되고 배터리 성능이 저하됩니다. 따라서 Formation Cycling의 최적화는 배터리 품질 관리의 핵심입니다.

• 4. 쿨롱 효율 및 배터리 성능 평가

  쿨롱 효율은 배터리의 충방전 과정에서 실제로 회수되는 전하량과 공급된 전하량의 비율로, 배터리 성능을 평가하는 중요한 지표입니다. 높은 쿨롱 효율은 배터리가 효율적으로 에너지를 저장하고 방출함을 의미하며, 일반적으로 99% 이상의 쿨롱 효율을 목표로 합니다. 쿨롱 효율이 낮으면 비가역적 반응으로 인한 에너지 손실이 크며, 이는 배터리 수명 단축과 발열 증가로 이어집니다. 배터리 성능 평가는 쿨롱 효율뿐만 아니라 에너지 효율, 용량 유지율, 임피던스 변화 등 다양한 지표를 종합적으로 고려해야 합니다. 특히 사이클 수명 테스트를 통해 반복적인 충방전 과정에서의 성능 변화를 추적하는 것이 실제 배터리 신뢰성을 평가하는 데 필수적입니다.