충전식 배터리의 긴 수명 비결은 다양성을 수용하는 데 있을지도 모릅니다. 배터리 팩 내 리튬 이온 셀의 열화 과정을 새롭게 모델링한 결과, 각 셀의 용량에 맞춰 충전 방식을 조정하면 전기차 배터리가 더 많은 충전 사이클을 견디고 고장을 방지할 수 있는 방법을 제시합니다.

11월 5일에 발표된 이 연구는IEEE 제어 시스템 기술 논문집이 연구는 배터리 팩 내 각 셀에 균일하게 전하를 공급하는 대신, 각 셀로 흐르는 전류량을 적극적으로 관리함으로써 마모를 최소화하는 방법을 보여줍니다. 이러한 접근 방식을 통해 각 셀은 최상의 수명을 누릴 수 있습니다.

스탠포드 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 시모나 오노리에 따르면, 초기 시뮬레이션 결과 새로운 기술로 관리되는 배터리는 잦은 고속 충전으로 인해 배터리에 추가적인 부담이 가해지더라도 최소 20% 더 많은 충방전 사이클을 견딜 수 있을 것으로 나타났습니다.

지금까지 전기차 배터리 수명 연장을 위한 대부분의 노력은 마치 사슬의 고리처럼 배터리 팩 전체의 성능은 가장 약한 셀의 성능에 달려 있다는 전제 하에 개별 셀의 설계, 재료, 제조 공정을 개선하는 데 집중되었습니다. 이번 새로운 연구는 제조상의 결함이나 열과 같은 스트레스에 노출될 때 일부 셀이 다른 셀보다 더 빨리 성능이 저하되는 등의 이유로 약한 연결 고리가 불가피하지만, 이러한 약한 연결 고리가 반드시 전체 팩의 성능을 저하시킬 필요는 없다는 점을 이해하는 데서 출발합니다. 핵심은 각 셀의 고유한 용량에 맞춰 충전 속도를 조절하여 고장을 방지하는 것입니다.

스탠포드 도어 지속가능성 대학원의 에너지 과학 공학 조교수인 오노리 교수는 “셀 간 불균일성을 제대로 해결하지 않으면 배터리 팩의 수명, 상태 및 안전성이 저하되고 조기 고장이 발생할 수 있다”며, “우리의 접근 방식은 팩 내 각 셀의 에너지를 균등화하여 모든 셀을 균형 있게 최종 목표 충전 상태에 도달하게 함으로써 팩의 수명을 향상시킨다”고 말했다.

백만 마일 주행 가능한 배터리를 만들겠다는 영감을 얻었습니다.

이번 새로운 연구의 동기 중 하나는 전기차 회사인 테슬라가 2020년에 발표한 "100만 마일 배터리" 개발 계획입니다. 이 배터리는 일반적인 충전을 통해 100만 마일 이상 주행이 가능하며, 구형 휴대폰이나 노트북에 사용되는 리튬 이온 배터리처럼 충전량이 부족해져 더 이상 작동하지 않게 되는 시점까지 도달할 수 있습니다.

이러한 배터리는 자동차 제조업체들이 전기차 배터리에 일반적으로 제공하는 8년 또는 10만 마일의 보증 기간을 뛰어넘을 것입니다. 배터리 팩은 대개 보증 기간보다 오래 사용되지만, 값비싼 배터리 팩 교체가 더욱 드물어진다면 전기차에 대한 소비자 신뢰도가 높아질 수 있습니다. 수천 번의 충전 후에도 여전히 충전량을 유지할 수 있는 배터리는 장거리 트럭의 전기화와 전기차 배터리가 재생 에너지를 저장하고 전력망에 공급하는 이른바 차량-전력망(V2G) 시스템 도입에도 도움이 될 수 있습니다.

오노리 교수는 "나중에 밝혀진 바에 따르면, 백만 마일 주행 가능 배터리 개념은 실제로 새로운 화학 기술이 아니라, 배터리가 최대 충전량을 사용하지 않고도 주행할 수 있도록 작동시키는 방식일 뿐이었다"고 말했다. 관련 연구는 일반적으로 전체 배터리 팩보다 충전 용량 손실이 적은 단일 리튬 이온 셀에 집중되어 왔다.

흥미를 느낀 오노리와 그녀의 연구실 동료 두 명, 즉 박사후 연구원 바히드 아지미와 박사 과정 학생 아니루드 알람은 기존 배터리 유형을 창의적으로 관리함으로써 수백 또는 수천 개의 셀로 구성될 수 있는 전체 배터리 팩의 성능과 수명을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사하기로 결정했습니다.

고충실도 배터리 모델

첫 단계로 연구진은 배터리 작동 과정에서 발생하는 물리적, 화학적 변화를 정확하게 나타내는 고정밀 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 이러한 변화 중 일부는 몇 초 또는 몇 분 안에 일어나지만, 다른 변화는 몇 달 또는 몇 년에 걸쳐 일어나기도 합니다.

스탠포드 에너지 제어 연구소 소장인 오노리 교수는 "우리가 개발한 것과 같은 고정밀 다중 시간 스케일 배터리 모델을 사용한 선행 연구는 없는 것으로 알고 있다"고 말했다.

모델을 이용한 시뮬레이션 결과, 최신 배터리 팩은 구성 셀 간의 차이를 활용함으로써 최적화 및 제어가 가능하다는 것을 알 수 있었습니다. 오노리 연구팀은 자신들의 모델이 향후 몇 년 안에 기존 차량 설계에 쉽게 적용할 수 있는 배터리 관리 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

수혜를 볼 수 있는 것은 전기 자동차만이 아닙니다. 오노리 교수는 "배터리 팩에 상당한 부하를 주는" 거의 모든 응용 분야가 새로운 연구 결과를 바탕으로 더 나은 관리를 적용하기에 적합한 후보라고 말했습니다. 예를 들어, 전기 수직 이착륙 항공기(eVTOL)는 드론과 유사한 항공기로, 일부 사업가들은 향후 10년 동안 에어택시 및 기타 도심 항공 모빌리티 서비스를 제공하는 데 활용될 것으로 기대하고 있습니다. 이 밖에도 일반 항공 및 대규모 신재생 에너지 저장 장치 등 충전식 리튬 이온 배터리의 활용 분야는 무궁무진합니다.

오노리 씨는 “리튬 이온 배터리는 이미 여러 면에서 세상을 바꿔놓았습니다.”라며, “이 혁신적인 기술과 앞으로 나올 후속 기술을 최대한 활용하는 것이 중요합니다.”라고 말했습니다.