전기차 배터리 상태 향상을 위한 예상치 못한 획기적인 조치들

전기차를 처음 충전하기 전에 배터리는 공장에서 제어된 충전 사이클을 거칩니다.
이러한 초기 충전 사이클은 저전류에서 이루어지기 때문에 속도가 느리고 시간이 오래 걸립니다.
도요타가 자금을 지원한 연구에 따르면 초기 충전 단계에서 높은 전류가 성능과 수명을 향상시킨다는 사실이 밝혀졌습니다.

전기 자동차의 움직임은 선형적이지 않습니다. 불균등한 판매량, 주행 거리에 대한 불안감, 제한된 충전기 가용성, 정치적으로 뜨거운 감자인 대통령 선거로 인해 전기차에 대한 기대감이 다소 꺾였을 수 있습니다. 그러나 소비자 측면에서 벌어지고 있는 상황은 특히 배터리 연구 및 개발과 관련된 보이지 않는 노력과는 극명한 대조를 이룹니다.

지난주에는 테슬라의 지원을 받는 한 연구소에서 리튬인산철(LFP) 배터리를 높은 충전 상태에서 지속적으로 사용하면 배터리 건강과 성능 저하에 부정적인 영향을 미친다는 사실을 발견한 연구를 다루었는데, 이는 LFP 충전 방식에 대한 기존의 관념과 모순되는 결과였습니다. 이번 주에는 도요타 연구소의 가속 재료 설계 및 발견 프로그램의 지원을 받아 전기차 배터리에 대해 더 많은 것을 밝혀낸 또 다른 연구가 발표되었습니다.

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과학 연구 저널인 줄에 발표된 이 연구는 배터리 수명을 늘리고 성능 저하를 최소화할 수 있는 새로운 방법이 있다고 밝혔습니다. SLAC-스탠퍼드 배터리 센터(구 스탠퍼드 선형 가속기 센터)의 연구원들은 리튬 이온 배터리를 처음에 비정상적으로 빠른 속도로 충전하면 수명이 평균 50%, 최대 70%까지 연장된다고 말했습니다.

연구팀은 이렇게 말했습니다: “배터리 제조에서 포메이션(배터리 생산 시 최초로 충전·방전하는 작업)은 매우 중요한 단계입니다. 이 과정에서 리튬 인벤토리가 고체 전해질 간상(SEI, 음극 입자의 표면에 부착되는 매우 얇은 필름)을 형성하는 데 소모되며, 이는 배터리 수명을 결정합니다. 놀랍게도 첫 번째 사이클에서 높은 충전 전류를 사용하면 배터리 사이클 수명이 평균 50% 연장됩니다."라고 설명합니다. 이 모든 것이 괴상하고 횡설수설하게 들릴 수 있습니다. 하지만 간단히 설명하면 다음과 같습니다.

배터리를 충전하기 위해 전기차를 처음 연결하기 전에 팩은 위 단락에서 언급한 "포메이션"이라는 제조 공정의 중요한 단계를 거칩니다. 이는 일반적으로 배터리 팩의 초기 충전 및 방전 주기를 신중하게 제어하는 생산 공정의 마지막 단계에서 이루어집니다.

최초 충전 사이클은 배터리 팩을 안정화시키고 셀 내부의 물질을 활성화하는 데 도움이 됩니다. 이 과정은 배터리의 성능, 수명 및 전반적인 품질에 영향을 미칩니다. 마치 악기가 무대에 올라 연주를 하기 전에 정교하게 튜닝하는 것과 같습니다. 튜닝과 보정은 결과에 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.

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연구 기간 동안 SLAC-스탠퍼드, 도요타 연구소, 매사추세츠 공과대학, 워싱턴 대학교의 배터리 과학자들은 62개의 포메이션 프로토콜에 따라 186회의 충전 및 방전 사이클을 실행했습니다. 처음으로 팩에 고전류를 펌핑했을 때, 셀은 실제로 리튬 성분의 일부가 손실되었는데, 이는 기존의 첫 번째 충전 방법의 9%에 비해 30%에 달했습니다.

하지만 “이러한 첫 번째 사이클의 리튬 손실은 헛된 것이 아닙니다.”라고 SLAC-스탠퍼드는 블로그 게시물에 썼습니다. “손실된 리튬은 첫 번째 충전 중에 음극 표면에 형성되는 SEI의 일부가 됩니다.” 이 층은 기본적으로 시간이 지남에 따라 리튬 손실이 가속화될 수 있는 음극을 보호합니다. 이는 팩의 수명에 전반적으로 긍정적인 영향을 미칩니다.

이 보고서는 제조업체가 일반적으로 낮은 전류로 배터리를 처음 충전하는 것과는 정반대의 방식이라고 설명합니다. 이 공정은 시간이 많이 걸리며 배터리 제조의 주요 병목 현상 중 하나입니다. 제대로 형성되지 않으면 배터리가 의도한 대로 작동하지 않으므로 배터리 생산에 필수적인 요소입니다. 하지만 이제 시간을 절약하고 배터리 수명을 연장할 수 있는 방법이 생겼습니다. 

이 새로운 기술을 사용하면 높은 초기 전류로 인해 리튬 손실이 발생하기 때문에 “양쪽 전극에 추가 헤드 스페이스”가 생깁니다. 이는 궁극적으로 “배터리 성능과 수명을 개선하는 데 도움이 될 것”입니다.

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