Q&A:초고속 충전을 위한 리튬 이온 배터리 최적화

아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)의 Tanvir Tanim 박사와 그의 팀은 길가 충전소에서 10~15분 안에 충전할 수 있는 리튬 이온 배터리를 설계했습니다. 그들은 이러한 조건에서 발생할 수 있는 바람직하지 않은 리튬 도금을 감지하는 기계 학습 알고리즘을 개발했습니다.

기술 요약: 프로젝트는 어떻게 시작되었나요?

박사. 탄비르 타님: 우리는 2017년 Department of Energy Vehicle Technology Office에서 후원한 초고속 충전 프로그램에 참여했습니다. 목표는 기본적으로 10~15분 충전으로 리튬 이온 배터리에서 초고속 충전(XFC)을 가능하게 하는 것이었습니다. EV 충전 경험을 가솔린 차량의 주유 경험과 비교할 수 있도록 합니다. 이는 전기 자동차 소비자가 고려해야 할 주요 사항 중 하나입니다.

그 프로그램을 위해 우리는 매우 빠른 충전 속도로 많은 리튬 이온 배터리를 테스트했습니다. 이러한 배터리를 고속으로 충전하면 많은 문제가 발생합니다. 리튬 도금은 주요 문제 중 하나입니다. 배터리에는 한정된 양의 리튬이 포함되어 있으므로 충전 및 방전 중에 손실되는 것을 원하지 않고 양극에서 음극으로 순환하기를 원합니다. 그러나 급속 충전 중에는 순환 가능한 리튬이 양극 표면에 도금될 수 있으며, 이는 바람직하지 않은 기생 반응입니다. 도금된 리튬은 회수할 수 없습니다. 방전 중에는 음극으로 돌아갈 수 없습니다.

도금에는 다른 문제가 있습니다. 조기에 감지하지 않으면 계속 발생하여 치명적인 사건이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 도금된 Li는 수지상 형태를 취하고 양극에서 바늘처럼 성장할 수 있으며 분리막에 구멍을 내서 내부 단락을 생성할 수 있습니다.

그래서 우리는 많은 리튬 이온 배터리를 테스트하고 설계 수정을 한 다음 리튬 도금이 발생했는지 확인하기 위해 다시 테스트했습니다. 그러나 그 당시에는 도금을 감지하는 좋은 방법이 없었습니다. 테스트 후 우리는 도금이 있는지 확인하기 위해 셀을 찢거나 추가 사후 테스트를 수행합니다. 우리는 전기화학적 시그니처 기반 리튬 도금 검출 방법이 실제로 없었지만 많은 것을 배우고 있었습니다.

그런 다음 DOE에서 자금을 지원하는 물리학 기반 기계 학습이라는 다른 프로그램에 참여했습니다. 이 프로그램의 목표는 성능 저하의 근본 원인을 식별하는 것과 함께 배터리 수명에 대한 신뢰할 수 있는 예측을 얻기 위한 인공 지능/머신 러닝 기반 알고리즘을 개발하는 것이었습니다. 그때까지 우리는 많은 데이터를 수집하고 다양한 저하 모드와 메커니즘에 대한 포괄적인 이해를 생성했습니다. 우리는 모든 데이터를 가지고 있고 리튬 도금과 관련된 전기화학적 특징을 알고 있기 때문에 이를 기계 학습 문제로 공식화하는 것이 어떻겠냐고 생각했습니다. 우리는 전기화학적 특성을 사용하고 기계 학습을 도입하여 리튬 도금을 감지하는 전략을 세우는 데 도움이 될 수 있는지 확인할 수 있습니다.

한 가지가 다른 것으로 이어졌고, 이것이 전지를 찢지 않고 조기에 리튬 도금을 감지하는 매우 좋은 방법이 될 수 있다는 결론에 도달했습니다. 셀을 열고 사후 테스트를 수행하는 것은 시간이 걸리고 비용이 많이 들고 배터리 수명 주기 개발을 지연시킵니다.

기술 요약: 그렇다면 당신의 방법은 특정 전기화학적 신호를 감지하는 것이었습니까?

타님: 그때까지 우리는 수많은 전기화학적 데이터를 갖고 있었고 그 이면의 물리학에 대해 잘 이해할 수 있었습니다. 우리는 리튬 도금과 다시 관련될 수 있는 주요 전기화학적 특징을 확인했습니다. 그런 다음 해당 데이터로 실행하고 머신 러닝을 도입하여 당시 공식화한 문제를 해결했습니다.

기술 요약: 어떤 특정 종류의 데이터를 사용했는지 말씀해 주시겠습니까?

타님: 우리는 쉽게 수집할 수 있기 때문에 주로 전기화학 데이터에 중점을 두었습니다. 사실 테스트 중에 항상 리튬 이온 배터리의 수명 및 성능 문제를 설명하기 위해 전기화학 서명을 찾습니다. 일반적인 서명은 전압, 전류, 온도 등입니다. 이러한 서명을 다른 보조 변수로 변환할 수 있습니다. 예를 들어 방전 용량 및 용량 퇴색 경향, 선형성 또는 비선형성을 살펴보았습니다. 또한 충전 종료 휴지 전압, 방전 종료 전압 및 사이클링에 따라 어떻게 변하는지, 추가로 쿨롱 효율에 대해서도 설명합니다.

기술 요약: 방전 용량은 무엇을 의미하나요?

타님: 배터리를 사용하는 경우 배터리에서 에너지를 빼내는 것을 방전이라고 합니다. 용량 측정 방법 중 하나는 암페어시입니다.

기술 요약: 용량 감소는 어떻습니까?

타님: 새 배터리에는 특정 용량이 있습니다. 예를 들어 1암페어시입니다. 자전거를 타면 그 용량이 줄어들 것입니다. 용량(또는 에너지) 퇴색은 감소 비율입니다. 일반적인 경우 감소 추세는 특히 초기 주기에서 상당히 선형적입니다. 그러나 리튬 도금의 경우 추세가 매우 비선형적입니다. 처음에는 더 빨리 퇴색하고 나중에는 덜 퇴색됩니다.

리튬 도금은 다양한 조건에서 발생할 수 있습니다. 급속 충전 외에도 영하의 온도에서 배터리를 충전하거나 배터리에 노화 관련 불균형 문제가 있는 경우 발생할 수 있습니다. 서명은 이러한 모든 도금 조건에 대해 똑같이 민감하지 않을 수 있습니다. 그래서 우리는 고속 충전에 가장 민감한 서명을 식별한 다음 이를 사용하여 기계 학습 알고리즘을 개발했습니다.

기술 개요 : 사용한 서명은 무엇입니까?

타님: 고속 충전에 대한 가장 민감한 신호는 선형 또는 비선형으로 셀 용량이 어떻게 페이딩되는지, 충전 종료 휴지 전압 및 쿨롱 효율의 경향이라는 것을 발견했습니다.

우리는 또한 다른 사람들이 보고한 dQ/dV 및 dV/dt의 두 가지 두드러진 시그니처가 매우 공격적인 도금 상황이 아닌 한 급속 충전 조건에서 그다지 민감하지 않다는 것을 발견했습니다.

기술 요약: 쿨롱 효율을 설명할 수 있습니까?

타님: 쿨롱 효율은 방전 용량을 충전 용량으로 나눈 비율입니다.

기술 요약: 용량 감소를 어떻게 측정합니까?

타님: 몇 가지 테스트를 해야 합니다. 실험실 규모에서 배터리를 순환할 때 특정 주기를 선택하여 충전 또는 방전 용량을 측정할 수 있습니다. 현재 및 시간에서 암페어시 단위로 용량을 계산할 수 있습니다. 이제 배터리가 저하될 때와 동일한 과정을 반복하면 노후된 상태의 용량을 찾을 수 있으며 거기에서 퍼센트 페이드(신선한 상태에 대한 용량 페이드)를 계산할 수 있습니다.

기술 요약: 다양한 충전 프로토콜을 실험해 보셨습니까?

타님: 리튬 도금을 방지하기 위해 다양한 방식으로 배터리 디자인을 수정할 수 있습니다. 재료를 변경할 수 있고, 전극 디자인을 변경하거나 전해질과 같은 배터리 디자인의 여러 측면을 변경할 수 있습니다.

작동 조건이나 충전 프로필을 변경할 수도 있습니다. 예를 들어, 다른 충전 프로토콜을 시도하고 기준선과 비교할 수 있습니다. 예를 들어, 정전류/정전압 대신 다단계 또는 기타 충전 프로토콜을 시도할 수 있습니다. 그리고 온도를 변경할 수도 있습니다.

리튬 도금을 감지하는 우리의 방법은 설계 변경이나 충전 프로토콜에 관계없이 적용됩니다.

기술 요약: 이것이 어떻게 구현되고 있다고 보십니까?

타님: 이 방법이 가치 있는 기여를 할 수 있는 두 가지 시나리오가 있습니다. 첫 번째는 실험실의 연구 과학자들이 사용하기 위한 것입니다. 이 방법은 주어진 작동 조건에서 리튬 도금이 발생하는지 여부를 보다 신속하게 알려줍니다. 즉, 전지를 찢거나 다른 사후 테스트 분석을 수행할 필요가 없습니다. 전기화학적 신호만으로도 이 특정 설계 및 작동 조건에 대해 리튬 도금이 발생하는지 여부를 알 수 있습니다. 10~25주기 이내에 완료할 수 있습니다. 이를 통해 배터리 설계를 수정해야 하는지 여부를 알 수 있습니다. 가능한 한 빨리 확인하고 싶습니다. 그런 다음 돌아가서 디자인을 반복하고 테스트를 다시 수행하여 올바른 방향으로 움직이고 있는지 확인할 수 있습니다.

일부 수정 및 추가 검증을 통해 전기화학적 서명은 리튬 이온 배터리가 사용되는 고정 애플리케이션뿐만 아니라 전기 자동차의 배터리 관리 시스템에서도 구현할 수 있습니다. OEM 또는 배터리 제조업체는 이미 이러한 서명의 대부분을 수집하고 있습니다. 이를 기준으로 사용하면 초기 수명 주기가 아닐 수도 있고 앞으로 몇 년 후에 사용자에게 배터리 수명 초기에는 괜찮았지만 무언가가 변경되었으며 리튬 도금이 시작되었음을 사용자에게 알릴 수 있습니다. 일어나다. "이제 리튬 도금이 되었기 때문에 배터리에 대해 조치를 취해야 한다는 조기 경고입니다."

기술 요약: 이것이 얼마나 빨리 상용화될 수 있을지 짐작할 수 있습니까?

타님: 우리는 이에 대한 임시 특허를 보유하고 있으며 곧 전체 특허를 제출하기 위해 노력하고 있습니다. 우리는 또한 그것을 더욱 발전시키기 위해 협력 기회를 찾고 있으며 우리는 민간 기업의 많은 관심을보고 있습니다. 또한 DOE에는 다른 민간 산업과 협력하고 이를 더욱 개선하고 온보드 응용 프로그램에 대해 시연할 수 있는 기술 상업화 기금이 있지만 특정 추측을 하고 싶지는 않습니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 Tech Briefs의 2021년 12월호에 실렸습니다.