열-전기화학적 현상을 고려한 리튬이온 이차전지의 모델링 및 모사

Abstract

본 연구에서는 2차원의 열-전기화학적 결함 모델을 이용하여 리튬이온 이차전지의 수학적 모델링을 수행하였다. 모델링을 통하여 리튬이온 이차전지의 방전시 내부에서 발생하는 리튬 이온의 농도 변화, 전극 영역과 전해액 영역에서의 포텐셜 분포 그리고 전지 내부에서 발생하는 온도의 상승과 같은 물리적, 전기화학적 현상을 예측하였으며 각각의 현상이 나타내는 국부적인 분포 경향에 대한 원인을 제시 하였다. 특히 열 발생은 리튬이온 이차전지의 성능에 큰 영향을 미치는 요인 중에 하나이다. 그 이유는 전지 내부의 전기화학적 물성치들이 온도의 영향을 받기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 전지 내부에서 발생하는 열이 다시 물성치에 영향을 주게 되는 열-전기화학적 결합 모델과 영향을 주지 않는 비결합 모델을 구성하여 전지의 성능을 비교 하였다. 모델링의 결과는 전지 내부에서 일어나는 열 발생은 전기화학적 반응에 의해 일어남을 보여주고 있다. 특히 비결합 모델의 경우 내부에서 생성된 열이 다시 전지의 물성에 영향을 미치지 못하여 급격한 온도 상승과 함께 성능이 저하 됨을 알 수 있었다. 또한 전지의 크기에 따라 열 발생률이 다르고 이로 인하여 전지의 성능 차이가 나타남을 알 수 있었다; A two-dimensional thermal and electrochemical coupled model is developed for lithium ion battery with computational fluid dynamics technique. The model is capable of predicting the cell internal phenomena as well as lithium ion migration, phase potential distribution, cell temperature evolution and cell potential. Especially heat generation is one of the main limitations in lithium ion battery performance. Because electrochemical properties are influenced by the temperature evolution. So presented researches comparison between the couple model and decoupled model predictions indicate the importance of thermal-electrochemical behaviors of lithium ion battery. The simulation results show that heat generation rate in the cell contributes to the electrode reaction and joule heating in both solid and electrolyte phases. And cell temperature rise up in decoupled model causing non uniformity in both electrode reaction and concentration distributions. Evolution of cell potential and temperature are affected by the thermal environment and the cell aspect ratio.