고전류로 충전하는 리튬이온 배터리 수명 50% 증가

 (eurekalert.org)
2P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • 배터리 제조 마지막 단계인 첫 충전 조건을 바꾸자 평균 수명이 50% 늘고, 초기 충전 시간은 10시간에서 20분으로 줄어듦
  • 이 단계는 음극 표면에 SEI 보호층을 만드는 formation 과정으로, 이후 충방전 성능과 열화 속도에 큰 영향을 줌
  • 과학적 머신러닝 분석에서 첫 충전 조건 중 온도와 전류가 핵심 변수로 좁혀졌고, 고전류 충전은 초기 리튬 비활성화를 약 9%에서 약 30%로 높임
  • 더 큰 초기 리튬 손실은 단기적으로는 손해처럼 보이지만, 양극에 여유 공간을 만들어 이후 전극 순환을 더 효율적으로 만드는 효과가 있음
  • 저전류 첫 충전을 선호하던 제조 관행은 수명과 제조 효율을 함께 최적화하는 방향으로 재검토될 수 있음

첫 충전 조건이 수명과 제조 시간을 바꿈

  • 리튬이온 배터리의 첫 충전은 이후 배터리가 얼마나 안정적으로 작동하고, 열화 전까지 얼마나 많은 충방전 사이클을 견디는지를 좌우함
  • SLAC-Stanford Battery Center 연구진은 Joule에 게재한 연구에서 새 배터리를 비정상적으로 높은 전류로 처음 충전했을 때 평균 수명이 50% 증가한 결과를 확인함
  • 같은 조건에서 초기 충전 시간은 기존 10시간에서 20분으로 줄어듦
  • 연구는 SLAC/Stanford 팀이 주도하고 Toyota Research Institute(TRI), MIT, University of Washington 연구진이 참여함

SEI 보호층이 만들어지는 formation 단계

  • 연구팀은 양극과 음극이 전해질 용액에 둘러싸인 파우치 셀을 만들어 초기 사이클에서 일어나는 변화를 관찰함
  • 배터리가 충전될 때 리튬 이온은 저장을 위해 음극으로 이동하고, 방전될 때는 다시 양극으로 이동해 전자 흐름을 발생시킴
  • 새 배터리의 양극은 처음에 리튬으로 100% 채워져 있으며, 충방전 사이클이 반복될수록 일부 리튬이 비활성화됨
  • 일부 초기 리튬 손실은 음극 표면에 solid electrolyte interphase(SEI) 라는 부드러운 층을 형성하는 데 쓰임
    • SEI는 음극을 부반응으로부터 보호함
    • 부반응은 리튬 손실을 가속하고 배터리를 더 빠르게 열화시킬 수 있음
  • 첫 충전은 제조 공정의 마지막 단계인 formation이며, 이 단계가 실패하면 그 전까지 배터리에 투입된 가치와 노력이 낭비됨

저전류 관행과 고전류 실험의 차이

  • 제조사는 일반적으로 새 배터리의 첫 충전을 낮은 전류로 수행해 가장 견고한 SEI 층을 만든다는 접근을 써왔음
  • 저전류 충전은 시간이 오래 걸리고 비용이 크며, 항상 최적 결과로 이어지지는 않음
  • 최근 연구들은 더 높은 전류로 빠르게 충전해도 배터리 성능이 저하되지 않을 수 있음을 보여줬고, 이번 연구는 그 이유를 더 깊이 분석함
  • 첫 충전에서 SEI 형성에 관여하는 변수는 수십 가지라 모든 조합을 실험실에서 시험하기 어려움

머신러닝으로 온도와 전류를 핵심 변수로 좁힘

  • 연구팀은 과학적 머신러닝을 사용해 좋은 결과를 내는 데 가장 중요한 변수를 찾음
  • 많은 변수 중 온도와 충전 전류 두 가지가 특히 큰 영향을 가진 것으로 나타남
  • 고전류 첫 충전은 평균 테스트 배터리 수명을 50% 늘리는 뚜렷한 효과를 냄
  • 고전류 조건은 초기 리튬 비활성화 비율을 기존 방법의 약 9%에서 약 30% 로 높였지만, 이 변화가 오히려 성능 개선으로 이어짐

큰 초기 손실이 이후 효율을 높이는 방식

  • 더 많은 리튬 이온을 초기에 비활성화하는 방식은 물이 가득 찬 양동이를 옮기기 전에 일부 물을 덜어내는 상황에 비유됨
  • 양동이에 여유 공간이 생기면 이동 중 물이 덜 튀는 것처럼, SEI 형성 중 더 많은 리튬을 비활성화하면 양극에 여유 공간이 생김
  • 이 여유 공간은 전극이 이후 사이클에서 더 효율적으로 작동하도록 돕고, 후속 성능을 개선함
  • 단순히 좋은 배터리를 만드는 조건을 찾는 것보다, 그 조건이 어떻게 작동하는지 이해해야 제조 공정에 적용하기 쉬움
  • 이런 이해는 배터리 성능과 제조 효율 사이의 균형을 다시 맞추는 데 필요함

제조 공정 최적화로 이어질 가능성

  • 배터리 제조는 자본, 에너지, 시간이 많이 드는 공정이며, 새 제조 라인을 가동하는 데도 오랜 시간이 걸림
  • 공정 변수도 많아 최적 조건을 찾기 어려움
  • 이번 결과는 배터리 제조의 중요한 단계인 첫 충전을 이해하고 최적화하는 일반화 가능한 접근을 제시함
  • TRI 측은 이 연구에서 얻은 내용을 향후 새로운 공정, 시설, 장비, 배터리 화학 조성으로 이전할 수 있을 가능성을 언급함
  • 연구는 Toyota Research Institute의 Accelerated Materials Design and Discovery 프로그램을 통해 자금을 지원받음

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 업계에서 조금 일해본 입장에서는 이 연구가 좀 회의적임. 이게 사실이라면 초기 충전 조건을 다르게 둔 기존 연구나 실험에서도 더 나은 열화 성능이 보였을 텐데, 그런 사례들을 분명히 봐왔기 때문임
    게다가 늘어난 고체 전해질 계면층(SEI) 이 셀의 임피던스를 얼마나 바꿔서 이후 충전 속도와 사용 가능한 용량을 줄이는지도 봐야 함

    • 동의함. 이 요약만으로는 수십 건의 다른 실험실 테스트와의 모순을 설명하기 부족함. 여러 제조사(Samsung/Sony/Panasonic)의 21700 셀을 여러 박스 보유하고 2년 넘게 노화 시험을 진행 중임
      모든 리튬이온·리튬폴리머 화학계에서 공통적으로 보인 건, 60% 이하까지 깊게 방전하면 사용 가능한 충전 사이클이 8000회에서 2000회 미만으로 줄고, 고전류 방전이나 급속 충전은 연간 약 15%씩 용량 손실을 가속하며, 덴드라이트 결함 단락이 셀을 손상시키면서 내부 저항과 자가방전률이 함께 올라간다는 것임
      이 기법이 모든 셀 화학계에서 통한다면 꽤 놀라운 결과임
    • 전기차 슈퍼차저 사용은 처음엔 꽤 안 좋게 여겨졌지만, 나중에는 배터리 수명에 생각만큼 악영향을 주지 않는다는 결과가 나오지 않았나?
      https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
    • 기사에서 든 비유도 여러모로 미심쩍음
      “처음에 리튬 이온을 더 많이 제거하는 건 가득 찬 양동이를 들고 가기 전에 물을 조금 퍼내는 것과 비슷하다. 빈 공간이 더 생기면 이동 중 물이 덜 튄다. 마찬가지로 SEI 형성 중 리튬 이온을 더 많이 비활성화하면 양극에 여유 공간이 생기고 전극이 더 효율적으로 순환해 이후 성능이 좋아진다”는 식인데, 설명이 썩 탄탄해 보이지 않음

  • 생산 단계에서도 맞아떨어진다면 정말 멋진 발견임. 눈앞에 숨어 있던 공정 변수였던 셈임

    • 회사들은 절대 안 할 것 같음. 이러면 수익이 줄어들기 때문임
      단순한 조치로 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있다는 글은 여기저기서 꽤 자주 보이지만, 아주 특수한 용도 외에는 실제로 적용되지 않음
      보통은 같은 수명을 유지하되 에너지 밀도를 높이는 쪽으로 간다. 고전압 리튬이온 셀(충전 종료 전압 4.2V 초과)이 그런 예인데, 4.2V까지만 충전하면 이전 유형보다 훨씬 오래가겠지만 제조사들은 4.3V, 4.35V, 심지어 4.4V로 광고하고 그로 인한 추가 용량을 내세우는 편임

  • 요약하면, 배터리의 초기 형성 충전 과정에서 일부 리튬이 비활성화되어 음극 주위에 말랑한 보호층인 고체 전해질 계면층(SEI) 을 만듦
    현재 제조사는 보통 느린 형성 충전을 하고, 이때 리튬의 약 9%가 SEI로 사라짐. 튼튼한 층을 만들려면 이렇게 해야 한다고 여겨졌지만, 이번 연구의 더 높은 초기 충전 전류에서는 30%가 SEI가 됐음
    즉 같은 리튬 양 기준으로 배터리 용량은 조금 잃지만, 전극 보호층이 더 두꺼워져 이후 충전 사이클에서 수명이 좋아진다는 설명임

    • 용량과 맞바꾸는 구조라면, 차라리 LTO처럼 화학계를 조금 바꾸면 안 되나 싶음. 다만 이 기사는 실제 적용보다 그런 현상 자체가 존재한다는 쪽에 더 초점을 둔 것 같음
    • 그 9%짜리 층을 만드는 데는 시간이 얼마나 걸리는지가 궁금함

  • 너무 많이 방전되어 충전이 안 되던 리튬 배터리를 완충된 배터리에 몇 초 연결해서 되살린 적이 있음

    • 그건 화학보다는 배터리 안의 전자 회로 문제에 가까움. 표준 배터리 관리 시스템(BMS)을 무시하고 아무 전원공급장치로든 강제로 먹일 수 있음
    • 그건 발전기가 고장 난 줄 아는 차를 다른 차와 그 교류발전기로 점프시동하는 것과 비슷함
      말 그대로 “위험을 감수하고 한 방 노리는” 식임

  • 전극 위의 좋은 SEI 층이 중요하다면, 배터리를 조립하기 전에 전극에 그 층을 미리 입힐 수는 없나? 그러면 층의 형태도 더 균일하게 만들 수 있을 텐데

  • 배터리 수명이 정확히 뭘 뜻하는지 헷갈림. 용량 저하인지, 아니면 무작위 고장인지?
    이번 발견이 용량 저하는 늦추지만 전기차 배터리가 갑자기 고장 날 확률을 100배 높인다면 비용 면에서는 개선이 아님. 소비자 기기에는 괜찮을 수도 있겠지만

    • 수명은 두 가지가 있음. 보관 수명과, 100%까지 충전하고 거의 0%까지 방전하는 충전 사이클 수명임
      충·방전을 80/20 범위로 유지하면 배터리 수명은 주로 보관 수명에 의해 제한됨. 예를 들어 Nissan Leaf를 20~80% 충전 상태 범위에 두면 아마 20년은 갈 수 있지만, 매번 DC 급속 충전으로 100%까지 채우면 2000사이클, 대략 5~7년 정도밖에 못 쓸 가능성이 큼

  • 헷갈리는데, 이건 그냥 예측인가 아니면 실험으로 검증된 건가?

  • 최근 논문에서 전류를 두 배로 하되 2kHz 주파수의 구형파로 충전하면 배터리 열화가 사실상 사라진다는 결과를 본 기억이 있음

  • 고전압 전기가 나무를 식각하는 방식처럼, 미세구조를 태워 넣어서 필라멘트 형성에 더 안정적으로 만드는 것 같음

  • 요약하면 높은 전류가 음극 위의 층을 조금 다르게, 그리고 당연히 더 빠르게 형성하게 만든다는 것임. 이전에는 느린 초기 충전이 더 좋은 형성을 만든다고 여겨졌음
    이건 근본적인 발견이라기보다는 공정 조정에 따른 점진적 개선에 가까움

    • 이게 “공정 조정”이든 “진짜 근본적 발견”이든, 배터리 수명 50% 증가라면 어쨌든 엄청난 일임
      다만 음모론적으로 보면 많은 소비자 전자제품 제조사는 이걸 좋아하지 않을 것 같음. 낮아진 배터리 용량이 교체 주기를 밀어붙이는 큰 요인일 테니까
      요즘은 대체로 2~3년쯤 지나면 휴대폰 배터리 용량 저하가 눈에 띄기 시작함. 폰 자체는 잘 작동하고 최신 모델 기능도 딱히 필요 없으며 배터리만 교체할 수도 있다는 걸 알지만, “배터리 바꿀 바엔 새 폰 사지”라는 생각이 들 때가 있음
      배터리 수명이 50% 더 길어진다면 줄어든 배터리 용량을 업그레이드 핑계로 삼는 일은 거의 없을 것 같음
    • 아마 “음전자”가 아니라 음극을 말한 것 같음
답변달기