소니에 의해 1991년에 상용화된 리튬 이온 배터리 기술은 높은 에너지 밀도와 효율성 덕분에 상당한 발전을 이루었습니다. 2022년에는 전 세계 전기차 재고가 2600만 대를 초과하며 전년 대비 60% 증가했습니다. 현재 리튬 이온 배터리는 약 3Ah의 용량을 가진 표준 18650 원통형 셀부터 100Ah를 초과하는 대형 파우치 또는 프리즘 배터리까지 다양한 형태로 발전했습니다. 4680 배터리(직경 46mm, 축 방향 길이 80mm)는 일반적으로 사용되는 18650 또는 21700 원통형 셀에 비해 더 높은 에너지와 전력 이점을 제공합니다. 21700 배터리와 비교할 때, 그 부피는 5.5배 더 큽니다. 이 대형 원통형 배터리는 배터리 팩 조립에 필요한 개별 셀 수가 줄어들어 생산 비용을 절감할 것으로 예상됩니다. 테슬라 외에도 BMW는 직경 46mm(두 가지 다른 축 방향 길이)의 원통형 셀을 사용하는 새로운 전기차 플랫폼 "Neue Klasse"를 발표했습니다.
일반적으로 배터리 제조업체는 배터리 특성에 대한 정보를 제한적으로 제공하며, 복잡하고 상호 의존적인 제조 공정을 공개하지 않습니다. 또한, 배터리 화학 및 설계는 배터리와 원장비 제조업체 및 고객의 요구에 따라 달라지며, 배터리의 특정 생산 체인을 형성합니다. 반면, 학술 리튬 이온 배터리(LIB) 연구는 종종 실험실 규모의 특성, 소형 또는 단순한 배터리, 반자동 생산 공정을 사용합니다. 따라서 학술 리튬 이온 배터리 연구는 몇 가지 성능 지표에 대한 참고자료로만 활용될 수 있습니다.
배터리 사양의 증가 추세와 불안정한 LIB 생산 데이터로 인해, 대형 원통형 배터리의 특성을 연구하려는 과학계의 관심이 높아지고 있습니다. 새로운 셀 형식과 젤리 롤 없는 구조를 결합한 테슬라 4680 원통형 배터리의 분해 및 특성 분석은 실제 배터리 동작을 제어하므로 이러한 특성을 더 잘 이해하는 데 기초를 제공합니다.
본 논문은 첨단 테슬라 모델 Y(2022 모델, 미국 오스틴에서 제조)에서 추출한 "1세대" 원통형 4680 리튬 이온 배터리에 대한 분석을 다음과 같이 제공합니다.
1. 배터리 구조 및 전극 재료에 대한 심층 분석
배터리 구조에 대한 자세한 탐색과 음극 및 양극 성능 연구를 스캐닝 전자 현미경(SEM)과 에너지 분산 X-선 분광법(EDX)을 통해 재료 조성을 분석합니다.
2. 삼전극 분석
T형 배터리를 조립하여 시뮬레이션 개방 회로 전압(SOC-OCV)과 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 음극과 양극 특성을 연구합니다.
3. 4680 리튬 이온 배터리 충전 시 열화상 분석
열화상 분석을 사용하여 2C 충전 속도로 충전할 때 배터리의 하단, 상단 및 중앙에서 발생하는 열을 조사합니다.
4. 여러 배터리의 전기화학적 특성 분석
여러 배터리를 대상으로 일정 전류 충전/방전 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 측정을 통해 전기화학적 성능을 평가합니다.
5. 단일 셀의 하이브리드 펄스 전력 특성화
하이브리드 펄스 전력 특성화(HPPC) 측정 방법을 사용하여 단일 배터리의 저항 특성을 연구합니다.
6. 모든 테스트 데이터의 오픈 소스 제공
배터리 분해 이미지, SEM/EDX 기록 및 테스트 절차를 포함한 모든 원시 측정 데이터를 오픈 소스로 제공합니다.
배터리는 2.5V까지 완전히 방전된 후, 분해를 위해 선택되어 분해 분석을 위해 설계된 글로브 박스에 배치됩니다. 아르곤 가스로 채워진 대기에서 H2O와 O2 수준은 지속적으로 모니터링되고 0.1PPM 이하로 조정됩니다. 특정 과정은 그림 1과 2에 나와 있습니다.
그림 1: 배터리 분해 과정
그림 2: 4680 배터리 분해 과정
그림 3과 그림 4는 각각 전기화학적 성능 테스트 장비와 배터리 열 발생 테스트 장비의 주요 장비 개요를 나타냅니다.
그림 3: 전기화학적 성능 테스트 장비 개요
그림 4: 배터리 열 발생 테스트 장비 개요
그림 5: 4680 배터리 구성 요소의 개략도
그림 5는 배터리 내 관련 구성 요소의 폭발도(Exploded View)를 보여줍니다. 배터리의 원통형 부분은 외경이 46밀리미터, 높이가 80밀리미터입니다. 양극 단자는 직경이 16밀리미터이며, 총 높이 81밀리미터 기준으로 추가 1밀리미터가 더 있습니다. 음극 단자의 중앙에는 충전 구멍을 밀봉하기 위한 구리 리벳이 배치되어 있습니다. 외피의 두께는 0.5밀리미터로, 이로 인해 원통의 내부 부피가 줄어듭니다(음극 쪽 밀봉 및 3차원 형상 미고려). 상용 배터리인 18650 또는 21700과 비교할 때, 두꺼워진 벽 두께는 에너지 밀도를 감소시킵니다.
음극 및 양극 탭을 제거한 후, 젤리 롤의 높이는 71밀리미터, 직경은 44.5밀리미터입니다. 롤 코어에는 코어 샤프트가 없으며, 직경이 5밀리미터인 공간이 남아 있습니다. 롤은 양 끝에 10밀리미터 너비의 파란색 테이프 두 개로 고정되어 있습니다. 배터리 단자 간의 내부 연결에는 노치가 있는 원형 디자인과 접어 놓은 전극 탭이 사용됩니다. 양극 탭은 알루미늄으로 만들어졌으며, 음극 탭은 구리로 만들어졌고 두께는 0.2밀리미터입니다. 두 탭의 치수는 그림 6에 나와 있습니다. 두 탭은 육각 대칭을 가지지만, 탭 연결부와의 접합 위치가 다릅니다. 양극 탭의 커넥터는 외부 링에 연결되며, 음극 탭의 커넥터는 중앙으로 연결됩니다. 음극 탭의 외부 링은 배터리 케이싱에 연결되며, 양극 탭의 중앙은 배터리의 양극 단자에 초음파 용접됩니다. 따라서 젤리 롤이 케이싱에 부착될 때 두 탭은 보상 요소 또는 스프링처럼 작용할 수 있습니다.
배터리 제조 공정은 다음과 같이 재구성될 수 있습니다. 접어 놓은 전극 탭이 있는 젤리 롤이 제작됩니다. 음극 쪽에서는 구리 탭이 구리 호일에 레이저 용접됩니다. 양극 쪽에서는 이전에 초음파 용접된 배터리 단자가 알루미늄 호일에 레이저 용접됩니다. 양극 탭 위에 플라스틱 디스크가 놓이고, 조립체가 양극 쪽에서 배터리 캔에 삽입됩니다. 음극 쪽에서는 충전 구멍이 있는 캡이 위에 놓이고, 배터리 캔이 크림프되어 밀봉됩니다. 충전 과정 후, 충전 구멍은 구리 리벳으로 밀봉됩니다. 배터리 셀 하단의 DataMatrix 코드는 정보를 포함할 수 있습니다. 이 코드는 제조 공정 및 차량 배치에서 추적 및 추적 응용 프로그램에 사용되는 특정 배터리의 고유 식별자로 가정됩니다. 배터리의 추적 가능성은 배터리 생산 및 사용의 품질, 안전성 및 효율성을 보장하는 중요한 수단입니다.
그림 6(a): 양극 및 (b) 음극 탭의 치수
전극 조립체는 양면 코팅된 양극과 음극, 그리고 분리막으로 구성되어 있으며, 이들 구성 요소의 길이와 폭은 그림 7에 나타나 있습니다. 구성 요소의 폭이 달라서 확대된 형태로 설명됩니다. 전극의 구조는 전통적인 권선 배터리 설계와 유사하며, 양극의 전체 길이는 3403mm로 음극보다 136mm 길어집니다. 조립 상태에서 양극은 음극에 완전히 감싸여 있습니다.
그림 7: 4680 배터리의 전극 및 분리막 치수
그림 8에는 전극을 따라 측정된 두께와 계산된 면적 질량 부하가 표시됩니다. 양극과 음극 모두, 전극 두께는 권선이 시작되는 중심에서 가장 높고, 그 후 크게 감소합니다. 전극 길이가 1미터를 초과하면 두께가 다시 증가합니다. 동시에, 전극 샘플에서 측정된 전극 부하는 전체 길이 동안 거의 일정하게 유지됩니다. 전극 두께의 불균일함은 다음과 같이 설명될 수 있습니다: 개방된 배터리는 이미 작동 중이었으므로, 충전 및 방전 과정으로 인해 전극의 부피 변화가 발생하였습니다. 젤리 롤의 권선 구조의 차이로 인해 전극의 압축이 달라져 두께의 변동이 발생합니다.
그림 8: 4680 배터리의 양극 및 음극 성능 (a) 두께 (b) 부하 (c) 밀도
전극에 대한 더 심층적인 분석을 수행하기 위해, SEM 이미지를 사용하여 양극과 음극의 상단 및 측면 프로파일을 연구하였습니다. 음극 측에서는 직경이 3µm에서 16µm 사이인 구형 활성 물질 입자가 관찰되었으며, 이는 전형적인 NMC(니켈 망간 코발트) 음극 물질의 특징입니다. NMC가 활성 물질로 사용되며, 측정 결과 니켈 81.8wt%, 코발트 12.1wt%, 망간 6.1wt%를 포함하고 있음을 보여줍니다. EDX 분석을 통해 불소의 총량이 7.9wt%로 나타났습니다. 이는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)가 바인더로 사용되고 있음을 시사합니다. EDX에서도 인(P)과 황(S)의 미량(<0.5wt%)이 검출되어, 이는 전해질에 사용된 리튬 염의 잔여물로 추정됩니다.
음극은 천연 플래이크 그래파이트로 구성되어 있습니다. 이미지는 입자 직경이 35마이크로미터임을 보여주며, EDX 분석 결과 그래파이트만 활성 물질로 확인되었습니다. 실리콘의 존재는 측정에서 검출되지 않았습니다. 그래파이트의 조성과 일치하는 90.5wt%의 주된 탄소 함량이 감지되었습니다. 또한, 7.9wt%의 불소가 검출되어, 음극에 PVdF 또는 PTFE와 같은 불소 함유 바인더가 존재할 수 있음을 시사합니다. PTFE의 사용은 무용제 음극 제조 방법을 나타낼 수 있습니다. 코팅과 구리 수집기 사이에 검은색 프라이머 층이 관찰되며, 이는 실제 음극 코팅과 뚜렷하게 다른 구조를 가지며, 코팅 아래 약 1.5mm 정도 확장되어 있습니다. EDX 분석 결과, 주로 탄소와 불소를 포함하고 있어, 코팅에서 사용된 것과 동일한 바인더가 사용되었고, 전도성을 위한 카본 블랙이 추가되었음을 시사합니다. 이 프라이머 층은 무용제 코팅 공정을 강하게 시사합니다. 이는 유해한 용제의 사용을 제거하고 전극 시트의 건조 과정에서 에너지 손실을 방지하는 장점이 있습니다.
그림 9: 다양한 각도에서 관찰된 SEM 이미지
세 전극 테스트 결과, 그래파이트는 각각 LiC24, LiC12 및 LiC6의 상전이 현상을 보이며, 이는 순수 그래파이트 음극의 특징이며 음극에 실리콘이 포함되어 있지 않음을 확인합니다. 충방전 곡선은 0.02C의 전류 속도에서도 약 0.5V의 과전압을 보여 내부 저항이 더 높음을 나타냅니다. 또한 EIS 측정 결과, 50% SOC에서 음극이 양극보다 높은 임피던스를 가지며, 따라서 전체 배터리 임피던스는 주로 음극에 의해 결정됩니다.
그림 10: 세 전극 셀의 측정 데이터
그림 11(a)는 다양한 전류 속도에서 전체 배터리의 측정된 용량을 보여줍니다. 정상 배터리에서는 방전 전류 속도 C/3에서 평균 22.078Ah를 얻으며, 표준 편차는 σ=186.2mAh입니다 (Table 1). C/20에서, 정상 배터리의 경우 충전 중 평균 용량은 22.411Ah (σ=199.9mAh)이며, 방전 중에는 22.311Ah (σ=199.7mAh)입니다. NOK(비정상) 배터리는 모든 용량 측정에서 더 큰 변동을 보이며 (C/3에서 표준 편차 236.5mAh, C/20 방전에서 245.2mAh, C/20 충전에서 223.1mAh), 전반적으로 큰 이상은 없습니다.
배터리 데이터 083/828을 계산하여 에너지 밀도가 결정됩니다. 수년간 최적화된 작은 규격의 원통형 배터리와 비교했을 때 에너지 밀도가 상대적으로 낮아, 첫 번째 세대 4680 배터리가 전해 화학 성능, 배터리 구조 및 포장 구조에서 여전히 최적화가 필요함을 나타냅니다.
그림 11(b)는 세 배터리(ID 131/828, 186/828, 549/828)의 세 가지 SOC 수준에서의 임피던스 스펙트럼을 중첩합니다. 연구된 세 배터리의 임피던스 경향은 발표된 문헌과 매우 일치하며, SOC가 감소함에 따라 주 세미서클이 증가하는 경향을 보입니다, 특히 20% SOC에서 두드러집니다.
그림 11: 배터리의 전기화학적 성능 테스트
배터리(ID 536/828)는 전류 속도 0.05C에서 충전되며, 시뮬레이션된 개방 회로 전압 곡선은 그림 12(a)에 나타나 있습니다. 배터리는 4.2V의 상한 컷오프 전압에 도달하기 전까지 22.65Ah까지 충전될 수 있습니다. 일정 전압(CV) 단계는 적용되지 않습니다. 계산된 미분 전압 분석은 그림 12(b)에 나타나 있으며, 해당 증분 분석은 그림 12(c)에 나타나 있습니다. 분석 결과, NMC 811 화학 성분과 순수 그래파이트 음극이 실리콘을 포함하지 않음을 확인하였습니다. 이는 앞서 언급한 재료 특성화와 일치합니다.
그림 12: 배터리의 시뮬레이션된 개방 회로 전압, 미분 전압 분석, 및 증분 분석
배터리(ID 186/828)의 저항을 Ohm의 법칙에 따라 계산한 결과는 그림 13에 나타나 있습니다. 다른 배터리와 유사하게 SOC(충전 상태)에 따라 의존성이 관찰되며, 이는 그림 12에서 나타난 그래파이트 상전이와 일치합니다. 저항은 전류 방향에 따라 약간의 의존성을 보이며, 충전 및 방전 방향 모두에서 높은 전류에서 값이 감소합니다. 이는 이전 관찰 결과와 일치하지만, 방전 방향의 낮은 SOC 영역에서는 높은 전류 속도에서 저항이 증가하는 경향을 보입니다. 이전 문헌에서는 전류 속도가 배터리 임피던스에 미치는 영향이 거의 연구되지 않았으나, 이 관계는 충전 전이 반응의 비선형 거동에 의해 발생하는 것으로 보입니다. 배터리의 이전 해체 분석 결과, 이 효과는 낮은 SOC 영역에서 특히 두드러집니다.
그림 13: 4680 배터리 펄스 저항 분석
그림 14: 4680 배터리 열화상 데이터
그림 14에서는 열화상 데이터에서 추출한 측정 포인트를 사용하여 충전 과정 동안 배터리 캔 내의 온도 분포를 평가합니다.
그림 15: 배터리 (ID 536/828)의 1C 및 2C CC 충전 시 열 발생
그림 15(a)는 적용된 배터리의 충전 및 방전 곡선을 나타냅니다. 과전압을 분석함으로써, 2C 충전 동안 15W까지의 비가역적 손실을 계산할 수 있으며, 특히 낮은 SOC(충전 상태) 영역에서 두드러집니다. 그림 15(b)에서, 25°C의 환경 온도에서 2C 충전 동안 배터리(ID 536/828)의 평균 표면 온도는 70°C입니다. 이는 표면적 대비 부피 비율이 낮은 대형 원통형 배터리에서 냉각이 여전히 큰 도전 과제임을 보여줍니다.
그림 15(C)에서는 2C 충전 속도에서 TCAP과 TBottom 간의 축 방향 온도 차이가 약 10K임을 보여줍니다. 이는 양극과 음극이 뚜껑에 단면 전기 접촉을 갖기 때문일 수 있습니다. Wassiliadis et al.은 배터리에서 접촉 저항이 특히 높은 전류 조건에서 상당한 열 입력을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 선택한 용접 공정에 따라 이러한 접촉 저항은 차량 내에서 낮을 수 있지만, 일측 접촉으로 인해 상당한 열 입력을 제공하여 배터리의 축 방향으로 불균일한 전류 분포를 초래할 수 있습니다.
이 연구는 첫 번째 세대 Tesla 4680 원통형 리튬이온 배터리(테슬라 모델 Y에서 사용됨)의 포괄적인 특성 분석을 제공하며, 전기화학적 성능 및 열 관리 연구와 배터리 해체를 통해 자동차 리튬이온 배터리의 개발 및 생산에 대한 투명성을 높이고자 합니다. 배터리는 시뮬레이션된 개방 회로 전압, 미분 전압 분석, 증분 분석을 통해 특성화되었습니다. 2C 충전 속도에서의 온도 변화를 조사하였으며, 배터리 해체를 통해 SEM 및 EDX를 사용하여 재료 조성 결정, 배터리 구조 분석, 삼극 배터리 평가를 포함하였습니다. 각 분야에서의 주요 발견 사항은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.
육각 대칭의 양극 및 음극 탭은 돌출부 없이 설계되어 롤 코어를 케이싱에 연결할 때 보상 요소 또는 스프링 역할을 합니다. 전통적인 원통형 배터리의 케이싱이 구조적 구성 요소로 사용되지 않는 것과 비교하여, 케이싱의 두께가 더 높습니다. 전극 권선은 양면 코팅된 양극과 음극, 두 개의 분리막으로 구성되어 있으며, 배터리 셀 내에 코어 축이 없습니다. 전극 부하는 전극 전체 길이 동안 거의 일정하지만, 전극의 두께는 변동이 있습니다. 음극 측에는 구형 활성 물질 입자가 발견되며, 음극은 플래이크 그래파이트 입자로 구성되어 있습니다. EDX는 그래파이트가 유일한 음극 활성 물질임을 확인하며 실리콘은 검출되지 않았습니다. PTFE의 사용은 무용제 음극 제조 방법을 시사하며, 특히 코팅과 구리 수집기 사이의 프라이머에서 드러납니다. 삼극 분석은 배터리의 전기화학적 특정 전위와 전반적인 셀 임피던스가 음극에 의해 주로 결정된다는 것을 밝혀냅니다.
단일 배터리 데이터를 사용하여 계산된 에너지 밀도는 622.4Wh/L 및 232.5Wh/kg로, 첫 번째 세대 4680 배터리가 보수적인 설계를 가지고 있음을 나타냅니다. 시뮬레이션된 개방 회로 전압 분석(미분 전압 분석 및 증분 분석)은 NMC 811 화학 성분과 순수 그래파이트 음극을 확인하였습니다. HPPC 측정은 낮은 및 중간 SOC 영역에서 저항의 특성적인 SOC 의존성을 나타냈습니다. 2C 충전 동안 상대적으로 높은 표면 온도가 자유 대류 설정에서 관찰되었으며, 이는 배터리 팩 구성 요소 내에서 적절한 냉각 시스템의 필요성을 강조합니다.
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