셀 용량 부족 원인 분석

셀 용량이 낮은 것은 형성 후 방전 용량을 설계 값과 비교하여 직관적으로 판단할 수 있습니다. 측정된 용량이 설계 사양에 미치지 못하는 경우, 첫 번째 단계는 형성 공정 매개변수(예: 방전 전류, 충전 시간, 차단 전압, 형성 온도)가 올바르게 설정되었는지 확인하는 것입니다.
â' 형성 단계가 올바른 것으로 확인되면 대체 장비나 채널을 사용하여 셀을 다시 테스트하여 형성 시스템에 잠재적인 문제가 없는지 확인합니다.
â'¡ 장비 교체 후에도 용량이 정상적으로 유지된다면 원래 형성 장비에 결함이 있는 것입니다.
â'¢ 다시 테스트한 후에도 저용량 문제가 지속되면 셀이 실제로 저용량을 나타내는 것으로 확인됩니다.
저용량을 확인한 후에는 그 빈도와 심각도를 파악하기 위한 추가 분석이 필요합니다. 체계적인 근본 원인 분석을 수행하기 전에 완전히 충전된 저용량 셀을 분해하여 검사하십시오. 이상이 발견되지 않으면 양극 코팅 중량 부족이나 설계 마진 부족 등이 잠재적 원인일 수 있습니다. 결함이 발견되면 설계 또는 제조 문제를 고려해야 합니다.

근본 원인 분석: 설계 및 제조 관점

I. 설계 관련 요인

1. 재료 호환성

음극과 전해질 간의 호환성은 용량에 중대한 영향을 미칩니다. 새로 도입된 음극재 또는 전해질의 경우, 테스트 중 관찰된 반복적인 리튬 도금은 재료 불일치를 강력하게 시사합니다. 잠재적인 불일치 메커니즘은 다음과 같습니다.

â' SEI 층이 제대로 형성되지 않았거나, 너무 두껍거나, 형성 중에 불안정합니다.

â'¡ 전해질 내의 PC(프로필렌 카보네이트)가 흑연 박리를 일으킵니다.

â'¢ 과도하게 설계된 전극 면적 밀도/압축 밀도가 고속 충전/방전 기능을 방해합니다.

2. 용량 설계 여유

양극 비용량: 설계 시 코팅 공차, 형성 장비 오류, 그리고 탭 접착으로 인한 용량 손실을 고려해야 합니다. 신소재의 경우, 주어진 시스템(양극/전해질 페어링)에서 달성 가능한 비용량을 정확하게 평가해야 합니다. 비용량은 형성 속도, 충전 차단 전류, 사이클 속도, 그리고 전해질 조성에 따라 달라집니다. 양극 용량을 과대평가하면 설계 값이 부풀려지고 실제 용량이 낮은 셀이 생성됩니다.

음극 과잉 및 CB 값: 과도한 음극 로딩은 초기에는 양극 활용도를 1~2%까지 높이지만, 최적 수준을 넘어서면 SEI 형성 중에 과도한 비가역적 리튬 소모로 인해 첫 번째 사이클 방전 용량이 감소합니다.

3. 전해질 충전 및 유지

전해질 충전이 부족하면 리튬 이온의 삽입/탈리 효율이 감소합니다. 전해질 유지력이 부족한 셀은 전극이 건조해지고 음극 표면에 리튬 도금이 얇아져 용량 손실에 직접적인 영향을 미칩니다.

II. 제조 관련 요인

1. 코팅 면적 밀도 편차

2. 캘린더링 중 과도한 압축

과도한 압축은 활물질 구조를 손상시키며, 이는 전극 표면의 광택으로 입증됩니다. 양극에서는 리튬의 탈리(deintercalation)를 방해하고, 음극에서는 표면 리튬 도금 및 용량 감소를 유발합니다.

3. 조립 허용 오차

전극 정렬 불량, 분리막 주름, 또는 내부 마이크로 단락은 국부 임피던스를 증가시키고 용량을 저하시킵니다. 주름진 분리막은 영향을 받는 부위에 리튬 삽입이 불완전하게 발생하여 양극 표면이 황금색이 아닌 것처럼 보이게 합니다.

4. 수분 함량 제어

습도가 높아지면(전극, 전해질, 부적절한 글러브박스 이슬점, 탈기 과정 등) 부작용과 용량 손실이 발생합니다.

5. 환경 관리

습도가 높으면 가수분해 반응이 가속화되고, 온도가 낮으면 리튬 이온 확산이 방해되어 용량이 감소합니다. 또한, 형성 온도 편차도 용량 측정 정확도에 영향을 미칩니다.

6. 기타 요인

외부 오염: 금속/자기 불순물은 자가방전을 증가시켜 형성 후 용량이 낮아지는 것처럼 보입니다.

형성 전 보관: 고온/고습 환경에서 장기간 보관하면 전극과 전해질이 저하되어 용량이 손실됩니다.

â…¢. 결론

재료 적합성, 설계 여유, 공정 제어, 환경 조건 등 이러한 요소를 체계적으로 조사하면 생산 능력 저하의 근본 원인을 효과적으로 식별하고 해결할 수 있습니다.

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