배터리 테스트에서 3전극 셀 사용

배터리에는 일반적으로 양극과 음극이라는 두 개의 전극이 있습니다. 이온은 충전 및 방전 주기 동안 분리막을 통해 양쪽 전극으로 이동하고 그 과정에서 에너지를 방출합니다. 

배터리 테스트 셀은 세 번째 전극을 포함하도록 만들 수 있습니다. 이를 기준 전극(RE)이라고 합니다. RE를 사용하면 양극과 음극 사이의 테스트 결과를 분리하여 배터리 성능을 더 잘 분석할 수 있습니다.

배터리 소재를 연구할 때 기준 전극(RE)을 사용하면 연구자가 셀의 각 구성 요소가 전체 성능에 미치는 기여도를 측정하고 구분할 수 있습니다. 3전극 실험은 장기 테스트 중에 어떤 전극(양극 또는 음극)이 셀 성능을 제한하는지 파악하는 데 도움이 됩니다. 맹목적으로 하나 또는 둘 모두를 실험하는 대신 다양한 테스트 조건에서 각 전극이 셀 성능 저하에 어떻게 기여하는지를 파악하는 것이 중요합니다.

이것이 왜 중요한가요?

대부분 모두 기준 전극을 사용하여 양극과 음극 결과를 분리하면 전기화학 실험과 배터리 테스트를 통해 셀에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 이는 전통적으로 “산업적” 응용 분야로 간주되는 분야에도 적용됩니다. 상업용 장치 및 전기 자동차와 관련된 동적 충방전 프로파일 및 고속 충전 시뮬레이션은 저속 정전류 사이클링에 비해 배터리에서 고유한 성능을 발휘할 수 있습니다.

삼중 전극 시험은 배터리 안전성을 평가하는 데에도 유익합니다. Minter와 Juarez-Robles는 전기 자동차에서 매우 탐나는 특성인 고속 충전이 셀 음극에서 발생하는 리튬 도금을 감지하고 모니터링해야 할 큰 필요성을 어떻게 만들어내는지 강조합니다. [Minter 알디, Juarez-Robles D, et al 2018 J Vis Exp., (135):57735.] 이는 테스팅 중 삼전극 셀을 사용하여 가장 잘 달성할 수 있습니다.

배터리 연구의 근본적인 목표 중 하나는 오래 지속되는 셀을 개발하는 것입니다. 이는 상용 셀 및 배터리 팩이 수천 회의 사이클과 최대 10년 동안 지속되어야 하는 전기 자동차 및 그리드 저장 애플리케이션에 특히 중요합니다. 3전극 테스트를 통해 연구원들은 셀의 제한 요소를 식별하여 개선이 가장 필요한 부분에 집중할 수 있습니다.

다양한 테스트 상황에서 기준 전극을 사용하는 방법

• 동안 HPPC 테스트, 이것들은 흔한 전기 자동차 애플리케이션를 사용하면 기준 전극을 사용하여 전극 분극을 확인할 수 있습니다.

• 실행 중 EIS 3전극 셀을 사용할 때 양극과 음극 각각의 분리된 임피던스를 보여줍니다.

• 리튬 손실을 입증할 때 양극과 음극의 개별적인 기여가 드러납니다 세이 지배적인 노화 기전으로서의 성장.

• 차동 용량 분석은 양극과 음극의 전압 프로파일의 변화와 이들이 개별적으로 셀 성능 저하에 어떻게 기여하는지를 밝혀낼 수 있습니다.

안정적이고 신뢰할 수 있는 3전극 셀 제작의 장애물

새로운 삼전극 실험 결과와 출판된 다른 결과들을 비교할 때는 전극 크기, 재료 양, 셀 균일성 등 가능한 한 많은 변수를 일관되게 유지하거나 결과를 정규화하려고 노력해야 합니다. 이것이 “자체 제작” 셀로서 기준 전극을 통합하도록 기존 셀 유형을 수정하는 주요 이유이며, 정규화를 최소화하면서 결과를 더 쉽게 비교할 수 있습니다. 연구원들은 동일한 셀 유형(원통형, 파우치형, 코인형)의 기존 이중 전극 데이터와 자신들의 결과를 입증하고 비교하기를 원합니다. 그러나 배터리 재료 연구의 대부분이 코인 전지를 사용하여 수행되기 때문에, 이는 출판물에 있는 방대한 양의 기존 이중 전극 데이터와 새로운 결과를 비교하기 위한 삼전극 실험에서 자연스러운 선택입니다. 새로운 실험 데이터는 양극과 음극을 분리하여 새로운 통찰력을 제공할 것입니다.

제안

Swagelok 스타일 셀, 분할 셀 디자인, PAT 셀과 같은 다양한 3전극 셀 구성이 전기화학 연구에 사용 가능하며 일반적으로 사용됩니다. 하지만 이러한 시스템에도 한계가 있다는 점을 인지하는 것이 중요합니다. 비싸고 조립이 복잡하며 실제 응용을 위해 확장하기 어려울 수 있습니다. 또한, 이러한 특수 셀에서 얻은 데이터는 기존 배터리 형식(예: 코인, 원통형 또는 파우치 셀)과 비교할 때 주의 깊게 정규화해야 합니다. 따라서 특정 연구 또는 개발 목표에 적합한 테스트 구성을 선택할 때 이러한 고려 사항을 철저히 평가해야 합니다.