NMC 전기차의 배터리를 망치는 방법

오래된 2차 세계대전 훈련 영화에서 미군은 해병대와 병사들에게 일본 제국주의와 싸울 때 죽지 않는 방법을 가르치려 했습니다. 물론 누구도 스스로 큰 문제를 일으키는 방법을 배우고 싶어 하지는 않겠지만, 나쁜 일이 어떻게 일어나는지 알면 피하는 데 도움이 될 수 있습니다.

엔지니어링 설명 유튜브 채널의 제이슨이 전기차 배터리에 대해 다음과 같은 접근 방식을 취하는 것을 보고 멋지다는 생각이 들었습니다.

이 동영상에서 제이슨은 전기차 소유를 부정할 수 없을 정도로 악화시킬 뿐만 아니라 차량의 서비스 수명을 단축시키는 매우 흔한 세 가지 실수에 대해 설명합니다. 전기차의 배터리를 조기에 교체하면 애초에 전기차 소유의 비용적 이점이 부정될 수 있기 때문에 이는 큰 문제입니다.

하지만 일반적인 엔지니어링 설명에서는 단순히 해야 할 일과 하지 말아야 할 일을 알려주는 데 그치지 않습니다. 그는 훨씬 더 깊이 파고들어 왜 NMC 배터리가 좋지 않은지(원자 수준에서 다르게 작동하는 LiFePO4 또는 "LFP" 배터리는 그렇지 않은지) 미시적인 수준까지 설명합니다.

그는 자동차 소유자가 지켜야 할 세 가지 주요 규칙으로 시작합니다:

특히 날씨가 더울 때는 자동차 배터리를 100% 충전 상태로 보관하지 마세요.
배터리가 부족해질 때까지 재충전을 기다리지 마세요.
정기적으로 100%까지 충전하지 마세요.

100%로 충전하면 안 될 이유가 있을까요?

전기차는 이미 일반적으로 가솔린 차량에 비해 주행거리가 제한되어 있기 때문에 100%까지 충전하는 것이 더 편리하지 않나요? 

배터리 셀을 노화시키는 모든 종류의 문제는 열과 높은 전압에서 더 빨리 발생하기 때문에 100%로 보관하는 것은 좋지 않습니다. 충전식 배터리에서 일어나는 화학반응은 에너지가 많을수록 더 빨리 일어난다는 점을 명심해야 합니다. 따라서 셀의 에너지 수준을 낮게 유지하는 것이 큰 도움이 됩니다. 

성능 저하의 가장 큰 원인은 고체 전해질 계면 형성 또는 SEI/CEI 형성이라고 합니다. (C는 음극을 의미합니다). 두 경우 모두 배터리의 원래 입자 표면에서 발생하는 축적물입니다. 배터리를 처음 충전할 때 이론상 에너지 저장량의 약 10%가 손실되지만, 배터리 공장과 차량 제조업체는 이러한 현상이 발생할 수 있다는 것을 알고 있고 첫 번째 충전 후에 발생하는 에너지 저장 용량을 광고하기 때문에 사용자는 이 문제를 전혀 인지하지 못합니다.

하지만 처음 충전할 때만큼 빠르지는 않더라도 시간이 지남에 따라 계속 증가합니다. 이 축적물은 방해가 될 뿐만 아니라 배터리의 유용한 화학 물질과 물질을 빼앗아 시간이 지남에 따라 배터리의 저장 용량과 전력을 서서히 감소시킵니다. 연구와 실제 전기차 운전자의 경험에 따르면 50°C의 온도에서 100% 충전된 상태로 6개월 이상 보관하면 에너지 저장량이 40% 손실되는 것으로 나타났습니다. 

장기 보관(몇 주에서 몇 달)의 경우, NMC 차량은 30% SOC로 보관하는 것이 가장 좋습니다. 따라서 집을 떠나 장거리 여행을 떠날 때는 돌아올 때까지 충전량을 낮게 유지해야 합니다. 하지만 추운 날씨에는 걱정할 필요가 없습니다. 

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충전하기 전에 배터리를 방전시키지 말아야 하는 이유

구형 충전식 배터리는 재충전하기 전에 배터리를 완전히 방전시키지 않으면 '메모리' 문제가 발생할 수 있습니다. 하지만 최신 NMC 설계는 그렇지 않습니다. 배터리를 거의 방전될 때까지 방전시키거나 목적지까지 가는 데 필요한 양보다 더 많이 방전시키는 것은 나쁜 생각입니다. 예를 들어 출퇴근 시에는 80% 충전에서 60%까지 낮췄다가 다시 80%까지 충전하는 등 필요한 만큼만 '방전 깊이'를 낮추는 것이 좋습니다.

왜 그럴까요? 연구에 따르면 한 번에 많이 충전하는 것보다 여러 번 조금씩 충전하는 것이 배터리에 더 좋다고 합니다. 이는 음극의 입자가 리튬이 앞뒤로 움직일 수 있도록 하는 작은 결정체로 구성되어 있기 때문입니다. 결정 구조는 리튬이 왔다 갔다 할 때 다른 방향으로 수축 및 팽창합니다. 부서지기 쉬운 금속 조각처럼, 이러한 결정 구조에 팽창과 수축, 신축과 구부림이 많이 일어날수록 균열과 부러짐이 생기기 시작하여 더 많은 표면적을 축적할 수 있게 됩니다.

따라서 방전을 적게 하면 리튬 결정에 가해지는 스트레스와 손상을 줄일 수 있습니다. 여행 후에는 매번 플러그를 꽂고 배터리의 최대 1/4만 사용하는 것이 가장 좋습니다.

100%를 피하는 것이 핵심

자동차 제조업체는 더 쉽게 깨지고 축적될 수 있는 표면적을 제공할 수 있는 많은 작은 결정 대신 단결정 입자를 사용하여 이 문제에서 벗어나고자 합니다. 문제를 피하는 또 다른 방법은 혼합물에 니켈을 더 많이 넣는 것입니다. 그러나 결정의 팽창은 100%에서 더 많이 일어나며, 결정 구조가 작아도 배터리 셀에서 산소가 빠져나갈 수 있습니다.

따라서 LifePO4(LFP) 배터리를 사용하지 않는다면 100%는 피하는 것이 가장 좋습니다. 사용 가능 범위와 수명의 균형을 맞추려면 75%를 권장하지만, 매일 밤 플러그를 꽂을 수 없는 상황이라면 이 또한 쉽지 않습니다.

이 세 가지를 모두 피할 수 있다면 차량 전체 수명보다 더 오래가는 배터리를 사용할 수 있을 것입니다. 하지만 완벽할 수는 없더라도 할 수 있는 일을 하세요. 혹사당한 배터리라도(수냉식 냉각장치가 있는 괜찮은 차량이라고 가정할 때) 여전히 오래 사용할 수 있습니다.

고속 충전은 어떤가요?

많은 사람들이 전기차의 DC 고속 충전으로 인한 스트레스에 대해 걱정합니다. 대부분의 경우 전문가들은 더 이상 걱정하지 않는 것이 좋습니다. 차량은 에너지의 흐름을 제어하고 성능 저하를 유발하는 요소를 피하려고 노력하는 경향이 있습니다. 이는 시간이 지남에 따라 더욱 개선될 것입니다. 

하지만 80% 이상에서는 충전 속도가 훨씬 느려지므로 실제로 주행 거리가 필요한 경우를 제외하고는 완전 충전을 피하는 것이 가장 좋습니다. 이렇게 하면 차량의 수명을 늘리는 데 도움이 될 뿐만 아니라 장거리 여행 시 많은 시간을 절약할 수 있습니다.

https://cleantechnica.com/2024/01/31/how-to-ruin-your-nmc-evs-battery/

How To Ruin Your NMC EV's Battery - CleanTechnica