스마트폰과 노트북을 오랫동안 사용하는 사람 중에는 쓰다 보면 배터리가 열화되어 완충해도 금방 전력이 소모되는 문제로 고민하는 이들도 많다. 일정한 전류를 흘려보내는 정전류 방식이 아닌 펄스 전류를 사용해 충전하면 많은 기기에 쓰이고 있는 리튬 이온 배터리 수명을 2배까지 늘릴 수 있다는 연구 결과가 발표됐다.
리튬 이온 배터리는 스마트폰에서 전기차까지 많은 제품에 탑재되어 있지만 1회 충방전을 1사이클로 하는 충전 사이클을 수백 회 반복하면 열화되어 최대 용량이 점점 줄어든다. 독일 훔볼트대 베를린과 덴마크 올보르그대 연구팀에 따르면 최신 리튬 이온 배터리는 양극에 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC532)과 흑연을 사용하며 수명은 58년 정도로 충전 사이클로는 30만 500회 정도라고 한다.
이보다 더 발전된 펄스 전류 충전 프로토콜을 사용하면 리튬 이온 배터리 수명이 연장될 수 있다는 게 이전 연구에서 제시됐지만 그 메커니즘이 잘 알려지지 않아 실용화에는 장애물이 되어왔다.
연구팀은 충전 방식 차이가 배터리 열화에 미치는 영향을 조사하기 위해 시중에 판매되는 리튬 이온 배터리를 정전류와 펄스 전류로 충전하고 100사이클마다 배터리 상태를 진단하는 실험을 수행했다. 그 결과 펄스 전류로 충전한 배터리 수명이 2배 늘어나는 것이 확인됐다.
실험 결과에 따르면 정전류(CC)로 충전한 배터리는 500사이클 시점 충전 용량이 80%를 밑돌아 수명이 다해갔고 1000사이클 후에는 37.8%밖에 남지 않았다. 반면 100Hz 펄스 전류(Pulse-100)로 충전한 배터리는 80%가 될 때까지 700사이클 유지됐고 1,000사이클 후에도 66.48% 용량을 유지했다. 2000Hz Pulse-2000에선 1,000사이클을 넘어서도 80% 이상 성능이 유지됐다.
연구팀이 충방전을 반복한 리튬 이온 배터리를 분석한 결과 정전류로 충전된 배터리에선 전류가 흘러들어가는 음극 표면에 생성되는 고체 전해질 계면(SEI)막이 크게 두꺼워지면서 배터리가 담아둘 수 있는 충전량이 제한됐다. 또 NMC532와 흑연으로 만든 전극에도 무수한 균열이 생겨 용량 감소 요인이 됐다. 반대로 펄스 전류로 충전한 배터리는 SEI막이 얇고 전극 손상도 낮게 유지됐다.
연구팀은 2024년 3월 14일자 학술지(Advanced Materials Sciences)에 게재한 논문에서 이런 발견은 현행 리튬 이온 배터리 충전 방식을 최적화해 수명을 늘리고 나아가 미래 배터리 기술 발전에도 통찰력을 제공할 것이라고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.