GN⁺: 고전류로 충전하는 리튬이온 배터리 수명 50% 증가

연구자들이 배터리 성능을 향상시키는 놀라운 방법을 발견함

• 리튬 이온 배터리의 첫 충전이 중요한 이유

  • 배터리의 첫 충전은 배터리의 성능과 수명을 결정하는 중요한 과정임
  • SLAC-Stanford Battery Center 연구에 따르면, 첫 충전을 높은 전류로 하면 배터리 수명이 50% 증가하고 초기 충전 시간이 10시간에서 20분으로 단축됨

• 과학적 머신러닝을 통한 배터리 성능 향상

  • 연구팀은 과학적 머신러닝을 사용하여 배터리 전극의 특정 변화를 찾아냄
  • 이러한 변화는 배터리 제조업체가 공정을 최적화하고 제품을 개선하는 데 중요한 통찰력을 제공함

• 연구의 배경과 협력

  • 연구는 SLAC/Stanford 팀과 Toyota Research Institute (TRI), MIT, University of Washington의 협력으로 진행됨
  • SLAC의 지속 가능성 연구의 일환으로, 에너지 전환을 위한 중요한 기술을 더 저렴하게 만드는 데 기여함

• 배터리 제조에 미치는 실질적인 영향

  • 연구 결과는 전기차와 전력망뿐만 아니라 다른 기술에도 실질적인 영향을 미침
  • 배터리 제조는 자본, 에너지, 시간 소모가 큰 과정이며, 최적화가 어려움
  • 연구 결과는 배터리 제조의 중요한 단계를 이해하고 최적화하는 일반적인 접근 방식을 제시함

배터리 성능의 핵심인 "스퀴시 층"

• 배터리 초기 사이클링의 이해

  • 연구팀은 양극과 음극이 전해질 용액으로 둘러싸인 파우치 셀을 제작함
  • 배터리가 충전될 때 리튬 이온이 음극으로 이동하여 저장됨
  • 배터리가 방전될 때 리튬 이온이 양극으로 이동하여 전자를 흐르게 함

• SEI 층의 중요성

  • 첫 충전 중 일부 리튬이 비활성화되어 SEI(고체 전해질 계면) 층을 형성함
  • SEI 층은 음극을 보호하여 배터리 수명을 연장함

높은 충전 전류가 배터리 성능을 향상시킴

• 기존의 저전류 충전 방식의 문제점

  • 제조업체는 일반적으로 저전류로 첫 충전을 하여 SEI 층을 형성함
  • 그러나 저전류 충전은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 듦

• 고전류 충전의 장점

  • 연구팀은 고전류 충전이 배터리 성능을 저하시키지 않는다는 최근 연구 결과를 확인함
  • 고전류 충전은 배터리 수명을 50% 증가시키고 초기 리튬 비활성화 비율을 높임

• 과학적 머신러닝을 통한 최적화

  • 연구팀은 과학적 머신러닝을 사용하여 중요한 요소를 식별함
  • 온도와 충전 전류가 가장 중요한 요소로 나타남

SLAC 소개

• SLAC National Accelerator Laboratory
  • SLAC는 우주와 물질의 기본 원리를 탐구하고 강력한 도구를 개발하는 연구소임
  • 60년 이상의 연구를 바탕으로 양자 기술, 과학적 컴퓨팅, 차세대 가속기 개발 등 다양한 분야에서 미래를 개척함

GN⁺의 정리

• 이 연구는 리튬 이온 배터리의 첫 충전 과정을 최적화하여 배터리 수명을 50% 증가시키는 방법을 제시함
• 과학적 머신러닝을 활용하여 중요한 요소를 식별하고 최적의 충전 조건을 찾아냄
• 배터리 제조업체가 공정을 개선하고 비용을 절감하는 데 중요한 통찰력을 제공함
• 이 연구는 전기차와 전력망뿐만 아니라 다른 기술에도 실질적인 영향을 미칠 수 있음
• 유사한 기능을 가진 제품으로는 Tesla의 배터리 기술과 Panasonic의 배터리 솔루션이 있음

[neo]

Hacker News 의견

• 산업에서 일한 경험으로 이 연구에 대해 약간 회의적임. 초기 충전 조건이 다르면 더 나은 성능을 보일 수 있었을 것임

  • SEI 증가가 셀의 임피던스를 얼마나 변화시키는지, 그리고 용량에 어떤 영향을 미치는지 의문임

• 생산에서 이 결과가 입증된다면 매우 흥미로운 발견임. 숨겨진 프로세스 변수가 명백히 드러남

• 완전히 방전된 리튬 배터리를 완전히 충전된 배터리에 몇 초 동안 연결하여 되살릴 수 있었음

• TLDR: 배터리의 초기 "형성" 충전 동안 일부 리튬이 비활성화되어 음극 주위에 보호층(SEI)을 형성함. 연구에서는 더 높은 초기 충전 전류를 사용하여 30%가 SEI가 됨을 발견함. 이는 배터리 용량을 줄이지만 전극의 보호층을 강화하고 충전 주기 동안 더 나은 수명을 제공함

• 좋은 SEI 층이 중요하다면 배터리를 조립하기 전에 전극에 층을 미리 형성할 수 있지 않을까 생각함. 그러면 층의 모양을 더 균일하게 만들 수 있을 것임

• 혼란스러움... 이것이 예측인지 실험적으로 검증된 것인지 궁금함

• 최근 논문에서 2khz 주파수의 사각파로 두 배의 전류로 충전하면 배터리 열화가 거의 없어진다는 것을 발견함

• 배터리 수명은 무엇인가? 용량 열화인가 아니면 랜덤한 고장인가?

  • 발견이 용량 열화를 늦추지만 EV 배터리가 100배 더 자발적으로 고장 날 가능성이 높아진다면($$$) 이는 진정한 개선이 아님. 소비자 장치에는 괜찮을 수 있음

• 아마도 미세구조를 태워 필라멘트 형성을 더 안정적으로 만드는 것임, 고전압 전기가 나무를 새기는 방식처럼

• TL;DR 높은 전류가 음극에 층을 다르게 형성하게 함(그리고 당연히 더 빠르게). 이전에는 느린 초기 충전이 더 나은 형성을 이끈다고 생각했음. 이는 프로세스 조정의 점진적 개선이지 근본적인 변화는 아님