리튬이차전지의 전기화학 특성 분석법 (1)

2012년  "고분자 과학과 기술"에서 '고분자 특성 분석 지상강좌'로 게재되었던 문헌입니다.
이차전지의 전기화학 특성 분석 관련해서 좋은 자료로 생각됩니다.
원문은 "화학공학소재연구정보센터(CHERIC)"에서 학술지 검색하면 무료로 보실 수 있습니다.

Polymer Science and Technology Vol. 23, No. 3 "리튬이차전지의 전기화학 특성 분석법"

문헌 요약이 대부분을 차지하며, 일부 내용은 제가 별도로 추가했습니다.

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1. 정전류 시험법
 - 일정전류(galvanostatic)를 인가하여 시간에 따른 전압의 변화를 측정하여 특성을 확인하는 방법
 - 변화하는 전압의 범위를 제어하면 연속적인 충.방전 실험을 통해 측정 가능

충전상태의 리튬이차전지를 정전류를 이용한 방전을 통해 측정되는 전압 및 용량을 나타낸 그림

 - 방전방향의 전류를 일정하게 흘려주는 경우 전지의 전압이 감소함.
    ㄴ 전압 감소가 특정의 전압(cut-off voltage) 이하 일 경우 방전 중단 → 이 시간 동안 방전된 양으로 용량(capacity) 측정
 - 통상 방전전압은 3V 정도까지만 측정 → 과방전(over-discharge)에 의한 전극 손상 방지
 - 충전 → 전지 전압 상승 → 전해질 분해 및 전극 물질 안정성 위해 전압 4.3V 이하로 사용

2. 정전류/정전압 시험법(Constant Current/Constant Voltage Test)
 - 층상구조를 가지고 있어 리튬 이온의 삽입/탈리를 반복하는 물질에 주로 적용
   ㄴ 이러한 경우 표면과 내부에서 삽입/탈리되는 리튬 이온의 농도 차이가 발생함.
   ㄴ 충전 시 정전류 시험법을 사용할 경우 물질의 내부까지 완전히 충전되지 못할 수 있음
   ㄴ ① 정전류/정전압 시험법으로 정격 전압의 범위까지 정전류로 충전
        ② 이어서 정전압 충전을 실시하여 충분히 충전
     ☞ 통상적인 리튬이차전지의 충방전 기기에는 주로 활용됨.

3. 순환전압주사법(Cyclic Voltammetry)
 - 전지를 특정한 전압 영역에 대해 단위 시간당 일정 전압으로 주사하는 방법으로 지정된 전압 영역에서 한계까지
도달할 경우 주사 방향을 반대반향으로 바꿔서 주사하여 전압의 변화에 따라 전류를 측정하는 분석방법
 - 사이클 반복, 순환 파형 그래프
 - 산화/환원 반응이 일어나는 전압, 가역성, 지속성 파악 가능
 - 낮은 주사 속도 → 세밀한 거동 분석 가능
 - CV법은 정전류 충방전과 달리 전압을 조절하여 그에 따른 전류를 측정하는 방법이므로 측정 시간이 짧음
 - 반응 속도의 조절이 어려워 전지 반응 관찰에는 적합하지 않음

CV 곡선에 피크는 리튬의 탈리, 삽입 동안에 발생하는 상전이를 나타낸다.

4. 선형 주사 전압법(Linear sweep voltammetry)
 - 단위 시간당 전압변화에 따른 전류 변화
 - 전지내 산화, 환원 반응 발생 시 전류의 급격한 변화 발생 → 전해질의 전기화학적 안정성 평가에 활용