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배터리의 비율 성능 분석 및 BTS 작업 단계 설정 소개

Latest updated: September 15, 2024

이 기사는 재인용된 것으로, 정확한 정보는 원 기사를 참조하시기 바랍니다.

1. C-rate란 무엇인가?

"C-rate"는 배터리가 충전 및 방전되는 속도를 설명하는 용어입니다. 이는 배터리가 완전히 충전되거나 방전되는 데 걸리는 시간을 측정하는 상대적인 수량입니다. 배터리의 정격 용량을 기준으로 배율이 정의됩니다.

충전 및 방전 배율 C = 충전 및 방전 전류 (A) / 정격 배터리 용량 (Ah)

배터리의 배율 성능은 서로 다른 충전 및 방전 속도에서의 배터리 성능을 나타내는 지표입니다. 이는 배터리가 견딜 수 있는 최대 전류 밀도와 직접 관련이 있으며, 배터리의 빠른 충전 및 방전 능력을 평가하는 중요한 척도입니다.

배율과 시간의 관계:

·1C 방전은 배터리가 1시간 내에 방전될 수 있음을 의미합니다.

·2C 방전은 배터리가 반시간 내에 방전될 수 있음을 의미합니다.

등등

2. 배터리 재료/성능 평가에서의 비율 성능의 역할

배율 성능은 특히 높은 충전/방전 속도나 높은 출력이 요구되는 응용 분야에서 배터리 재료 또는 셀의 성능을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.

2.1 배터리 배율 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 요소들

1.전극 재료 특성: 전도도와 이온 확산 속도를 포함하며, 이는 배터리의 충전 및 방전 속도를 결정합니다.

2.배터리 구조 설계: 리튬 이온의 흐름과 열 분포에 영향을 미치며, 전극의 두께와 다공성을 포함합니다.

3.전해질 성능: 이온 전도도와 화학적 안정성이 충전 및 방전 속도에 직접적인 영향을 미칩니다.

4.배터리 온도: 적절한 온도 범위는 배터리의 충전/방전 속도와 사이클 안정성을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

5.배터리 내부 저항: 낮은 내부 저항은 높은 비율 조건에서 배터리 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다.

6.배터리 노화: 사용 시간이 증가함에 따라 배터리 성능이 저하되어 배율 성능에 영향을 미칩니다.

7.충전 전략과 BMS: 합리적인 충전 전략과 효과적인 배터리 관리 시스템은 배터리 성능을 유지하는 데 중요합니다.

이러한 요소들은 모두 고배율 충전 및 방전 조건에서의 배터리 성능을 결정합니다.

2.2 실제 배터리 응용에서의 비율 성능의 중요성

1.출력 밀도: 높은 배율 성능은 배터리가 짧은 시간 내에 많은 전력을 방출할 수 있음을 나타내며, 이는 특히 전기차, 시동 배터리, 휴대용 전자 기기와 같은 빠른 충전 및 방전이 요구되는 응용 분야에서 중요합니다. 높은 출력 밀도는 장치의 반응성과 성능을 향상시킵니다.

2.충전 속도: 높은 배율 성능은 또한 배터리가 짧은 시간 내에 빠르게 충전될 수 있음을 의미합니다. 전기차와 같이 빈번한 충전이 필요한 응용 분야에서 이 특성은 사용 편의성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

3.사이클 수명: 높은 비율 방전 조건에서 배터리 재료는 더 큰 스트레스를 받을 수 있으며, 이는 배터리의 사이클 수명과 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 좋은 배율 성능은 단시간 내에 높은 방전 용량을 가질 뿐만 아니라 여러 충전/방전 사이클 동안 배터리가 좋은 성능을 유지할 수 있음을 의미합니다.

4.안전성: 배터리 안전성 또한 빠른 충전/방전 중 중요한 문제입니다. 높은 배율 성능을 가진 배터리는 과열, 팽창 또는 기타 잠재적인 위험을 방지하기 위해 안전을 고려한 설계가 필요합니다.

5.에너지 밀도와 출력 밀도의 균형: 높은 비율 성능은 일반적으로 에너지 밀도의 희생을 수반합니다. 배터리가 더 높은 방전율을 견딜 수 있도록 설계되어야 하기 때문입니다. 실제로는 특정 요구 사항을 충족하기 위해 에너지 밀도(장시간 에너지 저장)와 출력 밀도(단시간 에너지 방출) 사이의 적절한 균형을 찾아야 합니다.

2.3 배터리 재료 및 배터리 성능 분석에서의 배율 성능 평가의 중요성

1.재료 성능 검증: 실험실 테스트에서 배터리의 다양한 배율(C-rate)에서의 성능을 측정함으로써 배터리 재료의 실제 성능을 평가할 수 있습니다. 이는 재료가 예상한 출력 밀도 요구 사항을 충족하는지, 그리고 높은 방전율에서의 안정성을 검증하는 데 도움이 됩니다.

2.재료 배합 최적화: 실험실 테스트는 과학자들이 고비율 방전 조건에서 다양한 재료 배합의 성능을 이해하는 데 도움을 주어 재료의 최적화 및 개선을 안내합니다. 예를 들어, 다양한 전극 재료나 첨가제를 테스트함으로써 배율 성능을 개선하기 위한 최상의 조합을 찾을 수 있습니다.

3.배터리 설계 테스트: 배율 성능 테스트는 전극 구조, 전기 전도도 및 이온 전도도와 같은 배터리 설계의 잠재적인 문제를 드러낼 수 있습니다. 이러한 테스트 결과는 실제 응용에서의 성능을 향상시키기 위해 배터리 설계를 개선하는 데 도움이 됩니다.

4.적용 범위 결정: 실험실 테스트를 통해 다양한 응용 시나리오에서 배터리 재료 또는 배터리의 적용 범위를 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 배터리는 고비율에서 성능이 좋지만 일반적인 사용 조건에서는 효율이 떨어질 수 있습니다. 실험실 테스트는 이러한 적합성의 차이를 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

5.장기 성능 예측: 실험실에서의 고비율 테스트는 실제 사용에서의 배터리 장기 성능을 예측하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 여기에는 고부하 조건에서 배터리 수명에 미치는 영향을 분석하고 배터리의 감쇠 패턴을 예측하는 작업이 포함됩니다.

6.표준화된 테스트: 실험실 테스트는 다양한 배터리 재료 및 배터리 시스템을 평가하는 표준화된 방법을 제공하여 다양한 제품 간의 비교 가능성을 보장합니다. 이러한 표준화된 테스트는 연구자와 제조업체가 다양한 배터리 기술을 비교하고 보다 신중한 선택을 하는 데 도움을 줍니다.

2.4 문헌에서 속도 성능 분석

1.저온 수계 배터리(LTAB)를 위한 냉각 방지 전해질 설계에서 적합한 H₂O-용질 시스템은 매우 중요하다. 중국과학원(CAS) 물리 연구소의 Yongsheng Hu와 Yaxiang Lu, 홍콩 중문대학(CUHK)의 Yijun Lu, 그리고 CAS 공정공학 연구소의 Junmei Zhao는 높은 이온 잠재력을 가진 양이온(예: Al³⁺, Ca²⁺)을 포함하는 보조 염 또는 높은 공여자 수를 가진 공동 용매(예: 에틸렌 글리콜)를 도입하여 저온(Te) 및 강한 용매-양이온 상호작용(SCA)을 가지는 전해질을 형성하는 다용매 시스템을 제안했다. 이들이 설계한 전해질을 이용하여 다양한 온도에서 배터리 성능을 입증하기 위해 연구자들은 프러시안 블루 유사 음극 **NaFeMnHCF(Na₁.₆₅Fe₀.₂₁Mn₀.₇₉[Fe(CN)₆]₀.₉₂-2.08H₂O)**를 합성하였고, 고에너지 밀도를 위해 폴리아니온 음극 NaTi₂(PO₄)₃와 초저온에서 작동하는 유기 음극 **3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드(PTCDI)**를 준비하였다. 25°C에서 NaFeMnHCF/Na-H₂O-EG/NaTi₂(PO₄)₃ 완전 셀은 2C에서 80 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도를 제공하며, 8C에서 5000번의 사이클 후에도 70%의 용량을 유지했다. -80°C에서는 NaFeMnHCF/Na-H₂O-Ca/PTCDI 버튼 셀이 20 Wh kg⁻¹의 높은 에너지 밀도를 제공하며, 0.1C에서 20번의 사이클 후에도 93.1%의 용량을 유지했다. 또한, -85°C에서도 0.1C에서 12.5 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도를 제공했다.

그림1 수계 배터리의 전기화학적 성능 그래프

2.전고체 나트륨 배터리(ASSSB)는 리튬 배터리를 대체할 수 있는 대규모, 안전하며 저비용의 에너지 저장 장치이다. 캐나다 워털루 대학교의 Linda F. Nazar 교수는 "4V 나트륨 전고체 배터리: 확장 가능한 나트륨 금속 옥시할라이드 고체 전해질을 이용한 연구"라는 제목으로 ACS Energy Letters에 연구 논문을 발표하였다. Na⁺ 빠른 이온 전도체인 NaTaOCl₄는 온화한 기계적 반응 합성법으로 제조되었다. 고전압 양극 물질로는 **P2형 Na₂/₃Ni₁/₃Mn₂/₃O₂(NNMO)**가 선택되었으며, Na₃Sn/Na₂Sn이 음극 물질로 사용되었고, **Na₄(CB₁₁H₁₂)₂(B₁₂H₁₂)**의 얇은 층이 Na₃Sn/Na₂Sn의 환원을 방지하기 위해 음극을 보호하는 데 적용되었다. 또한 속도 테스트에서는 음극 물질로 Na₃Sn 대신 Na₂Sn이 사용되었으며, 이 연구에서 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 그리고 0.1C의 여러 배율로 전기화학적 성능을 평가하였다.

그림 2 전고체 배터리의 전기화학적 성능 그래프

3.BTS 8.0 속도 기능 개요

3.1 C-rate 모드 설정 및 사용 방법

상수 전류 충전/방전 작업 단계를 설정할 때 전류값을 직접 입력할 수 있다. 또한 페이지 하단에서 배율 모드를 선택하여 명목상 특정 용량과 활성 물질의 질량을 입력한 후 배율 값을 입력하면 소프트웨어가 해당 배율에 따른 전류값을 자동으로 계산해준다. 배율 모드는 전류값을 입력해야 하는 단계의 시간을 설정하는 데 사용될 수 있다.

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그림3 BTS 소프트웨어 배율 모드 설명

작업 단계 설정 페이지에 배율 옵션이 표시되지 않는 경우, 상단 메뉴로 돌아가서 "설정"을 클릭한 후 "시스템 설정"을 선택하고, 좌측 메뉴에서 "작업 단계 편집"을 선택한다. 그런 다음 "단계 매개변수 설정"에서 "배율"을 선택하고 중앙의 화살표 아이콘을 클릭하여 숨겨진 "배율" 상태를 표시로 변경한다.
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그림4 BTS 소프트웨어 C-rate 기능 활성화

페이지를 아래로 스크롤하면 "Nominal capacity" 또는 "Nominal specific capacity"와 같은 배율 단계 매개변수를 설정할 수 있습니다. 설정 요구 사항에 따라 이 값을 선택한 후 저장을 클릭합니다. 사용자 이름으로 **admin**을 입력하고, 비밀번호로 **neware**를 입력한 후 확인을 클릭합니다.

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그림5 C-rate 단계 매개변수 설정

채널의 메인 페이지로 돌아가서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 "단위 설정"을 선택하면, 여러 가지 용량 단위 중에서 선택하여 특정 용적 단위를 수정할 수 있습니다.

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그림6 특정 용량 단위 수정

3.2 BTS8.0을 사용하여 배터리 속도 성능을 테스트하는 방법 (작업 단계 설정)

음극 물질에 대한 연구를 예로 들면, 먼저 상수 전류 방전 작업 단계를 설정한 후 상수 전류 충전 작업 단계를 설정합니다. 페이지 하단에서 "C-rate 모드"를 확인하고, 다양한 배율 값을 입력하면 해당 속도에 상응하는 전류 값이 자동으로 계산됩니다. 일반적으로 사용하는 배율은 0.1C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, 10C, 20C입니다.

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