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(The) effects of cathode materials on the performance of lithium ion batteries for electrical energy storage = 양극소재에 따른 에너지저장용 리튬이온전지의 특성
서명 / 저자 (The) effects of cathode materials on the performance of lithium ion batteries for electrical energy storage = 양극소재에 따른 에너지저장용 리튬이온전지의 특성 / Jin Hyeok Choi.
저자명 Choi, Jin Hyeok ; 최진혁
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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Lithium ion batteries for electrical energy storage require a relatively long cycle life of more than several thousand cycles as compared to those of other applications. As the nickel content in a NCM cathode material increase, the performances at a high C-rate and low temperature improve. However, long-term performance metrics such as the cycle life of NCM2 with high nickel contentsare inferior to those of NCM3. In addition, as the nickel contents increase, the cell temperature becomes much higher during the discharge process and more severe degradation of the cell occurs. Because the lifecycle characteristics are more important than the energy density with regard to the use of these batteries in electrical energy storage systems, cathode materials with high nickel contents should be avoided. The performances of NCM2 and NCM3 in relation to the frequency regulation, peak shaving, and degree of renewable integration were compared under actual operation conditions. Initially, we tested cells using NCM2 and NCM3 cathodes with regard to frequency regulations given the pattern developed by the USDOE and Pacific Northwest National Laboratory and the pattern generated using an algorithm based on a domestic power system frequency and the SoC of the batteries. Secondly, the peak shaving operation capabilities of energy storage systems refer to the efficient use of an electrical power system. This operation accounts for the highest level of demand among the application fields related to electrical energy storage in that it can support the efficient use of the power grid and lead to successfularbitrage in the electricity market and the deferral of the building of facilities for power generation, transmission and distribution. Therefore, it can contribute to the reduction of greenhouse gases. Using an algorithm for peak shaving, the effects of the reduction of the maximum daily load could be confirmed. The C-rates during the charge and discharge processesduring the peak shaving operation could be derived; they were found to be comparable to those of the patterns developed by the USDOE and PNNL. Finally, we tested cells using NCM2 and NCM3 cathodes for use as a means of stabilization of a renewable energy source, particularly a wind turbine with a ramp rate of less than 10%/min. In this thesis, many other possible options were not tested;however, it can be concluded that the long-term stability during ESS operation for integration with a wind turbine can be expected with slight temperature increases and high energy efficiency levels while operating under each application condition tested here.

에너지저장용 리튬이온전지는 다른 용도에 비해 수천 싸이클 이상의 장수명 특성을 필요로 한다. $LiNi_xCo_yMn_zO_2$ 양극 소재에서 니켈 함량이 증가함에 따라, 고율 특성과 저온 특성이 향상된다. 에너지밀도 향상을 위해 삼원계 양극소재의 경우 니켈함량을 증가시키기 위한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 니켈 함량이 높은 $LiNi_{0.6}Co_{0.2}Mn_{0.2}O_2$ (NCM2) 양극 소재를 이용한 대용량 리튬이온전지의 경우 $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ (NCM3) 양극 소재를 이용한 경우에 비해 수명열화가 심하게 발생하였으며, 싸이클 시험 중 방전 시, 전지 표면온도의 상승 또한 심하게 발생하였다. 에너지저장용도의 경우 수명특성이 매우 중요하기 때문에 니켈 함량이 높은 삼원계 양극소재의 경우 바람직하지 않다. NCM2와 NCM3를 이용하여 20Ah 용량의 단전지를 제작하여 에너지저장용도의 대표적인 적용 분야인 주파수조정, 피크저감 그리고 신재생출력 안정화 조건에서 성능을 평가하고 비교하였다. 우선, 미국 에너지성 (USDOE)과 Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)에서 개발한 전력계통 주파수조정 패턴을 이용하여 각각의 성능을 비교하였으며, 국내 전력계통 주파수를 이용하여 실제 운전 알고리즘에서의 충방전 패턴을 개발하여 또한 성능을 비교하였다. 장기성능에 대한 충분한 검토는 부족하였으나, 운전 시 에너지효율 및 충방전 시의 온도 변화를 통해 장기적인 안정성을 유추할 수 있다. 두번째로, 에너지저장시스템의 피크저감 운전은 전력계통을 효율적으로 이용하기 위한 적용분야이다. 이 용도는 전력망의 효율적 이용, 전력 시장에서의 요금차액 거래 그리고 발전 및 송배전 설비 신규투자를 억제할 수 있기 때문에 향후 에너지저장장치의 가장 발전 전망이 높은 수요처라 할 수 있다. 따라서 이를 통해 온실가스 저감에도 기여할 수 있을 것이라 생각된다. 피크저감 알고리즘을 이용하여 일간 전력피크를 효과적으로 저감할 수 있음을 확인하였으며, 피크저감 운전 시 충방전 최대 출력을 통해 운전 최대 C-rate를 도출할 수 있었다. USDOE 및 PNNL에서 개발한 피크저감 운전 패턴과 결과를 비교하고 장기 운전 조건에서의 NCM2 및 NCM3의 열화도 비교, 대기시간에 따른 열화도 비교 또한 수행하였다. 마지막으로 신재생에너지 특히 가장 복잡한 출력특성을 보이는 풍력발전기의 출력 안정화를 위한 에너지저장시스템 운전조건에서의 NCM2와 NCM3의 성능을 비교하였다.풍력출력안정화 조건은 일반적으로 Grid Code에서 사용하고 있는 분당 출력 변동률 10% 이내 조건을 적용하여 평가를 수행하였다. 본 학위논문에서 에너지저장시스템을 적용할 수 있는 모든 조건에서의 분석 및 성능평가를 수행하지는 못하였으나, 충방전 시 에너지 효율 및 전지 표면온도 상승값으로 판단할 때 에너지저장시스템에서 가장 중요한 장기적인 안정성을 기대할 수 있음을 확인하였다.

서지기타정보

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청구기호 {DEEW 18004
형태사항 vi, 110 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 최진혁
지도교수의 영문표기 : Sung-Yoon Chung
지도교수의 한글표기 : 정성윤
수록잡지명 : "Solution-Processed Metal Coating to Nonwoven Fabrics for Wearable Rechargeable Batteries". Small, Accepted, Accepted(2017)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원,
서지주기 References : p. 102-108
주제 Lithium ion battery
cathode
$LiNi_xCo_yMn_zO_2$
electrical energy storage
frequency regulation
peak shaving
리튬이온전지
양극
$LiNi_xCo_yMn_zO_2$
전기에너지저장
주파수조정
피크저감
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