1.사이클 성능 테스트 소개
배터리 사이클 성능 테스트는 일반적으로 배터리를 특정 충전 및 방전 조건 하에 여러 사이클 동안 시험하여 실제 배터리 작동 조건을 시뮬레이션하는 것을 포함합니다. 테스트의 목적은 사이클링 과정에서 배터리의 용량 감소를 모니터링하여 사이클 수명과 건강 상태를 평가하는 것입니다. 충전/방전 사이클을 통해 배터리의 충전/방전 용량, 쿨롱 효율 및 용량 유지율과 같은 성능 매개변수를 테스트할 수 있습니다. 실험실에서 배터리 충전 및 방전 테스트에 일반적으로 사용되는 모드는 상수 전류 충전/방전(CC), 상수 전압 충전/방전(CV), 및 상수 전류-상수 전압 충전(CC-CV)입니다. 이 외에도 상수 용량 충전 및 방전, 상수 저항 방전 및 단계적 충전 및 방전 모드와 같은 다른 모드도 포함됩니다. 일반적으로 상수 전류 충전 및 방전 및 상수 전류-상수 전압 충전 모드가 배터리 사이클 수명 테스트에 사용됩니다. 사이클 성능 테스트는 충전 및 방전 장비를 사용하여 수행할 수 있습니다.
그림 1 CT-4008Q-5V100mA-124 배터리 테스트 시스템
배터리가 정상 상태 환경에 있도록 보장하기 위해, 상수 온도 챔버를 사용하여 온도 변동으로 인한 오류를 피하기 위해 안정적인 환경을 조성하는 경우가 많습니다. 또한, 고온 및 저온 챔버를 사용하여 서로 다른 온도에서 배터리의 사이클 수명을 탐색합니다. 고온 환경은 배터리 내부의 화학 반응을 가속화하여 전해질의 분해, SEI 필름의 분해 및 두꺼워짐, 양극 활성 물질의 분해를 초래할 수 있습니다. 이러한 반응은 활성 리튬 이온을 소비하여 가역 용량을 줄이며, 가스를 생성하여 배터리 내부 압력을 증가시키고 안전 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 저온 환경은 전해질의 이온 전도도를 감소시키고, 배터리의 내부 저항을 증가시키며, 리튬 이온의 이동 속도를 늦추어 저온에서 배터리의 방전 용량을 감소시키지만, 이러한 용량 손실은 일반적으로 가역적이며 배터리가 실온으로 돌아가면 부분적 또는 완전하게 회복될 수 있습니다. 그러나 저온 충전은 음극 표면에 리튬 이온이 고르지 않게 침착되어 리튬 덴드라이트가 형성될 수 있으며, 이는 배터리 성능에 영구적인 손상을 초래할 수 있습니다. 배터리 테스트 배선이 편리하고 테스트 안전성을 보장하기 위해 배터리 전용 환경 테스트 챔버를 사용하는 것이 권장됩니다. 배터리 충전 및 방전 테스트와 테스트 환경의 온도 제어를 통합한 기계는 배터리 온도 성능 테스트를 수행하는 데 우수한 선택입니다.
그림 2 WHW/WGDW 환경 테스트 챔버 시리즈
2.테스트 단계 설정 예시 및 사례 데이터 분석
테스트 전류는 현재 밀도를 기반으로 계산할 수 있으며, 활성 물질의 단위 질량당 전류(mA/g), 전극의 단위 면적당 전류(mA/cm²)를 이용하여 mA 단위로 전류를 얻습니다. 또한 속도(C)로 표현할 수도 있으며, 여기서 속도(C) = 충전 및 방전 전류(mA) / 명목 용량(mAh)입니다. 전극 물질 또는 배터리의 명목 용량은 문헌을 참고하여 얻을 수 있습니다. 사이클 성능 작업 단계 설정 또는 반셀, 전지 및 대칭 셀에 대한 매개변수 설정은 약간 다릅니다. 반셀은 전극 물질의 전기화학적 활성을 연구하는 데 사용되며, 산화환원 반응의 특성, 반응 동역학, 및 전해질과의 상호작용을 포함합니다. 전극 물질은 작동 전극으로 사용되며 리튬 시트(Li)와 조합되어 테스트를 위한 반셀을 형성합니다. 예를 들어, 흑연//Li 반셀을 취하면, 100mA/g의 전류 밀도를 선택하여 테스트를 진행합니다. 활성 물질의 질량이 0.01g이라고 가정할 때, 1mA의 충전 및 방전 전류를 얻습니다. 반셀은 일반적으로 50 ~ 100mA/g의 낮은 전류 밀도를 사용하며, 속도 모드는 일반적으로 0.1C를 선택합니다. 작업 단계 설정은 그림3에 표시되어 있습니다. 양극 재료를 연구할 때, 배터리는 일반적으로 방전 작업 단계를 먼저 수행하며, 휴식-상수 전류 방전-상수 전류 충전 순서를 따릅니다. 입력 전류는 1mA, 방전 컷오프 전압은 0.01V, 충전 컷오프 전압은 1.0V로 설정하며, 사이클 수는 500으로 설정합니다. 전압 범위의 설정은 전극 물질에 따라 다릅니다. 예를 들어, 리튬 철 인산염//Li 배터리 테스트의 경우 전압 범위를 2 ~ 4.2V로 설정할 수 있으며, 이는 문헌을 참고하거나 극성 곡선을 테스트하여 얻을 수 있습니다.
그림3 흑연//Li 배터리의 사이클 테스트 작업 단계 설정 예시
실험실은 반셀 테스트에 사용된 작업 단계 설정에 따라 전지의 사이클 성능 테스트를 수행할 수 있으며, 전극 재료의 특성과 전해질 또는 고체 전해질의 산화 전압에 대한 내성을 기반으로 전압 범위를 조정하고, 필요에 따라 전류 크기를 설정합니다. 아래 그림4에 나타난 작업 단계 설정은 리튬 배터리 사이클 성능을 위한 일반적으로 사용되는 테스트 방법 중 하나입니다. 충전 완료 후 5분의 휴식을 두고 상수 전류-상수 전압 충전 후, 배터리가 깊게 충전되도록 하여 충전 효율성을 향상시키기 위한 것입니다.
그림4 리튬 배터리의 사이클 테스트 단계 설정 예시
또한 전극 재료와 전해질 간의 전기화학적 거동과 성능에 미치는 영향을 탐구하기 위해, 대칭 셀을 준비하여 긴 사이클 수명 테스트를 수행합니다. 테스트 단계는 **[그림 5]**에 표시되어 있습니다. 상수 전류 충전 및 방전 단계가 설정되며, 시간 설정은 1시간입니다. 전류 크기는 1mA·cm-2의 전류 밀도를 기준으로 설정됩니다. 1cm 지름의 전극 조각을 예로 들면, 전류 밀도와 전극 조각의 면적을 기반으로 0.785mA의 전류 크기를 얻습니다. 마지막으로 사이클링 단계를 설정하고, 더 큰 사이클 수로 설정하는 것이 좋으며, 테스트 전압이 불안정해지면 테스트를 중단할 수 있습니다.
그림5 대칭 셀의 사이클 테스트 단계 설정 예시
3.BTSDA를 활용한 데이터 검토 및 성능 분석
테스트가 완료된 후, BTSDA를 사용하여 배터리 사이클 성능을 확인할 수 있습니다. 다양한 성능 매개변수를 보기 위해 다른 곡선 내용을 설정할 수 있습니다. 곡선 이름 위치에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 "곡선 설정"을 클릭하여 설정 인터페이스를 엽니다. 필요에 따라 해당 X축 및 Y축 내용을 확인하고 "곡선 추가"를 클릭하여 완료합니다. 그림6은 가상 기계 테스트 결과인 "사이클 인덱스-Dchg.spec. Cap.&Chg. spec. Cap.&chg.-Dchg. Eff" 곡선으로, 배터리의 사이클 안정성 및 수명 감소 추세를 관찰하고 장기간 사이클 과정에서 배터리의 용량 변화와 쿨롱 효율을 확인하는 데 사용됩니다.
그림6 사이클 성능
그 곡선 외에도 "Spec. Cap.-Voltage" 곡선(그림 7(a))은 배터리의 용량 변화를 관찰하기 위한 일반적인 곡선으로, 배터리의 방전 용량, 특정 사이클 수에서의 용량 등을 확인할 수 있습니다. 그림7은 100 사이클 후의 배터리 충전 및 방전 곡선과 다양한 전류에서의 속도 성능 테스트를 보여주며, "Spec. Cap.-Voltage" 및 "Cycle Index-Dchg.spec. Cap.&Chg. spec. Cap.&chg.-Dchg. Eff" 곡선을 통해 배터리의 사이클 성능과 속도 성능을 표시합니다.
그림7 충전/방전 테스트 및 속도 테스트
Hao F, Liang Y, Zhang Y, et al. 고에너지 전고체 유기-리튬 배터리: 세라믹 전해질 기반[J]. ACS Energy Letters, 2020, 6(1): 201-207.
속도 테스트와 관련된 내용을 보려면 클릭하십시오.
대칭 셀의 성능은 "총 시간-전압" 곡선을 통해 확인합니다. 그림8에서 Li//LiCON//Li 대칭 셀은 0.05 및 0.1mA·cm-2의 전류 밀도로 500시간(1시간/사이클) 동안 안정적으로 사이클링되며, 전압은 안정적으로 유지되고 과전압이나 비가역적인 변동이 발생하지 않습니다.
그림8 대칭 셀 테스트
테스트 결과 곡선을 편리하게 보기 위해, 축을 더블 클릭하여 "축 설정"을 열 수 있으며, 축의 단위, 스케일 표시 범위, 주요 및 부 주요 눈금의 크기 및 두께, 축 및 곡선의 색상과 기타 개인화된 세부 설정을 조정할 수 있습니다. BTSDA 소프트웨어는 데이터 보기 및 관리를 용이하게 하는 다양한 도구를 제공합니다. 예를 들어, "손 도구"와 "확대"를 사용하여 곡선을 이동시키고 확대할 수 있습니다(**[그림 9(1)]**); 배터리를 연구할 때는 단일 변수를 변경하여 더 나은 전극 재료나 테스트 조건을 탐색하는 것이 일반적입니다. "곡선 비교"(그림9)는 여러 테스트 곡선을 비교하는 데 사용되어, 서로 다른 배터리의 데이터를 병렬로 비교하고 성능 개선의 영향을 직접 관찰할 수 있게 해줍니다.
그림9 "곡선 비교" 기능
또한 "매개변수 설정"과 같은 다양한 도구도 있으며, BTSDA 기능에 대한 자세한 비디오 설명은 BTS 튜토리얼을 방문하여 볼 수 있습니다.
4.데이터 내보내기 및 플로팅
테스트가 완료된 후, 플로팅을 위해 양호한 데이터를 내보내는 것이 필요합니다. 데이터를 내보내는 방법은 여러 가지가 있습니다.
첫 번째 방법: 현재 보고 있는 곡선이 "Spec. Cap.-Voltage" 및 "Cycle Index-Dchg.spec. Cap.&Chg. spec. Cap.&chg.-Dchg. Eff"인 경우, 아무 위치에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 "데이터 복사"를 클릭하여 곡선 데이터 내용을 엑셀 파일에 복사합니다(그림10).
그림10 사이클 테스트 데이터
두 번째 방법: 툴바의 "보고서 내보내기" 및 "다채널 사용자 정의 보고서"를 이용하여 데이터를 내보냅니다. "보고서 내보내기"를 열고(그림11), "WYSIWYG 보고서"를 선택하여 내보낼 경로 및 파일 이름을 설정한 후 내보내기를 클릭합니다. 이후 플로팅 소프트웨어와 함께 사용하기 용이하도록 엑셀 형식으로 내보내는 것이 좋습니다. "WYSIWYG 보고서"는 소프트웨어 인터페이스 오른쪽에 현재 표시되는 모든 데이터를 내보내며, 확장된 내용에 따라 서로 다른 수준의 데이터가 복사됩니다(그림11).
시간 및 전압과 같은 데이터가 필요하지 않은 경우, 내보내기 전에 단계 레이어 및 기록 레이어를 축소하여 사이클 레이어 데이터만 내보낼 수 있도록 합니다. 다른 유형의 내보내기 보고서에 대해서는 "BTS 튜토리얼"을 방문하여 비디오 설명을 확인할 수 있습니다.
그림11 "보고서 내보내기" 기능; WYSIWYG (What You See Is What You Get) 보고서
Seoul: NEWARE
1314 ,Gasan Digital 2-ro 70, Geumcheon-gu, Seoul 19th Taerung Techno Town, Gasan-dong, Geumcheon-gu, Seoul , Korea 08589
