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 전기화학 실험과 배터리 테스트는 기준 전극을 사용하여 양극과 음극의 결과를 분리할 수 있을 때 셀에 대한 이해도를 높일 수 있습니다. 이는 전통적으로 '산업' 애플리케이션으로 간주되는 분야에도 적용됩니다. 상용 기기 및 전기차와 관련된 동적 충전-방전 프로파일 및 고속 충전 시뮬레이션은 저속 정전류 사이클링과 비교하여 배터리에서 고유한 성능을 이끌어낼 수 있습니다.
3전극 테스트는 배터리 안전성을 평가하는 데도 유용합니다. 민터와 후아레즈-로블스는 전기 자동차의 주요 특성인 고속 충전으로 인해 셀 양극에서 발생하는 리튬 도금을 감지하고 모니터링해야 할 필요성이 커졌다고 강조합니다. [이는 테스트 중에 3전극 셀을 사용하여 가장 잘 달성할 수 있습니다. (2018 J Vis Exp., (135):57735).
배터리 연구의 근본적인 목표 중 하나는 오래 지속되는 셀을 개발하는 것입니다. 이는 상용 셀과 배터리 팩이 수천 회, 최대 10년 동안 지속되어야 하는 전기 자동차 및 그리드 스토리지 애플리케이션에 특히 중요합니다. 3전극 테스트를 통해 연구자들은 셀의 제한 요인을 파악하여 개선이 가장 필요한 부분에 주의를 집중할 수 있습니다.
다양한 테스트 상황에서 기준 전극을 사용하는 방법
- HPPC 테스트 중 일반적으로 다음과 같은 경우 전기 자동차 애플리케이션를 사용하면 기준 전극을 사용하여 전극 분극을 확인할 수 있습니다.
- EIS를 수행하면 3전극 셀을 사용할 때 양극과 음극의 디커플링 임피던스를 개별적으로 표시합니다.
- 양극과 음극의 개별 기여도는 SEI 성장으로 인한 리튬 손실을 지배적인 노화 메커니즘으로 입증할 때 드러납니다.
- 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 3전극 실험의 결과를 다른 발표된 결과와 비교하려면 전극 크기, 재료의 양, 셀 균일성 등 가능한 한 많은 변수를 일관되게 유지하거나 결과를 정규화해야 합니다. 이것이 바로 기존의 셀 유형을 수정하여 기준 전극을 '자체 제작' 셀로 통합하여 최소한의 정규화로 결과를 비교하기 쉽도록 하는 주된 이유입니다. 연구자들은 동일한 셀 유형(원통형, 파우치, 동전형)의 기존 두 전극 데이터와 결과를 비교하고 시연하고자 합니다. 그러나 대부분의 배터리 재료 연구는 코인셀을 사용해 수행되기 때문에, 새로운 결과를 기존의 방대한 양의 2전극 데이터와 비교하기 위해서는 3전극 실험이 자연스러운 선택입니다. 새로운 실험 데이터는 양극과 음극을 분리하여 새로운 인사이트를 제공할 것입니다.
스와겔록 스타일 또는 분할 셀 설계와 같은 다른 상용 3전극 셀은 비용이 많이 들고 구현 및 확장에 실용적이지 않으며 때로는 제작 및 사용이 복잡할 수 있습니다. 이러한 유형의 셀의 테스트 결과도 기존 배터리 형식(동전형, 원통형, 파우치형 등)과 비교할 때 정규화해야 합니다.
Arbin의 3전극 테스트 셀 구성과 그 이점
새로운 "3E" 코인셀은 기존 CR2032 코인셀과 동일한 표면적을 가지고 있어 공개된 모든 코인셀 데이터에서 결과를 비교하는 데 이상적입니다. 또한 대규모 3전극 테스트를 수행하여 새로운 소재의 프로토타입을 신속하게 제작할 수 있는 기능을 사용자에게 제공합니다. 기존의 방법은 너무 비싸고 일관성 없는 결과를 제공했습니다. Arbin의 새로운 3E 코인 셀은 사용자에게 저렴하고 사용하기 쉬운 3전극 셀 홀더를 제공하여 장기간 순환이 가능하고 샘플 간에 일관된 결과를 제공합니다. 저렴한 단가, 일회용 디자인, 간편한 코인 셀 구조 덕분에 사용자는 재료 연구 테스트를 위해 많은 수의 셀을 빠르게 구축할 수 있습니다. 3E 코인 셀은 Arbin의 3E 코인 셀 홀더와 인터페이스하며, MSTAT 제품 시리즈와 직접 연결할 수 있습니다.
위 섹션에서 설명한 양극과 음극 간의 디커플링 테스트 결과를 위한 대체 솔루션이 존재하는 이유는 이 데이터가 배터리 연구 및 개발을 가속화하고 새로운 배터리 화학 물질을 더 빨리 시장에 출시할 수 있는 기능을 가지고 있기 때문입니다.
Arbin의 최신 LBT 및 MSTAT 고정밀 배터리 테스트 장비는 배터리 개발 프로세스를 가속화할 수 있는 기능으로 학계와 업계 연구자들로부터 주목을 받고 있습니다. 24비트 해상도, 극도의 정밀도, 최첨단 열 관리 기능이 기본으로 제공되는 Arbin은 다른 배터리 테스터보다 더 상세하고 일관된 결과를 제공합니다. 이 덕분에 여러 업계 파트너가 ARPA-E 보조금을 포함한 공동 프로젝트를 위해 Arbin과 협력하고 있습니다. 제너럴 모터스는 배터리 테스트 프로그램을 더욱 향상하고 가속화할 수 있는 새로운 3전극 셀 설계의 라이선스 및 상용화를 Arbin에 허용했습니다.
