리튬이온 배터리 첫 충전 방법 조정해 수명 50% 향상?

SLAC-스탠포드 배터리 센터 연구팀이 리튬이온 배터리 첫 충전에 관한 연구 결과를 발표했다.

리튬이온 배터리는 제조 후 첫 충전 방법에 따라 배터리 성능과 수명이 좌우되는 특성이 있다. 연구팀은 전해질 용액에 양극과 음극을 추가한 파우치형 셀을 구축하고 다양한 조건에서 첫 충전을 실시해 배터리가 어떻게 변화하는지 관찰했다. 기계학습을 사용해 많은 변수 중에서 충전할 때 온도와 전류가 큰 영향을 미치고 있다는 걸 확인했다.

새 배터리 양극에는 리튬이 가득 차 있지만 충방전을 반복함에 따라 리튬 일부가 비활성화되어 배터리 용량이 감소하게 된다. 첫 충전에서 비활성화된 리튬은 음극 표면에 SEI라고 불리는 피막을 생성해 음극을 보호하므로 SEI를 적절히 형성하는 게 중요하다고 한다.

과거 연구에 따르면 낮은 전류로 시간을 들여 첫 충전을 하면 리튬 비활성화율을 9%까지 낮출 수 있다는 게 밝혀졌으며 제조업체는 배터리를 처음 충전할 때 이 방법을 사용해 10시간에 걸쳐 배터리를 충전하고 있다. 이번에 연구팀은 큰 전류로 고속 충전하면 리튬 비활성화율은 30%까지 상승하지만 충방전 사이클을 거쳐도 열화가 억제된다는 걸 발견했다. 더구나 이런 첫 충전 방법으로 사이클 수명이 50% 증가하고 제조업체 첫 충전에 소요되는 시간을 20분까지 단축할 수 있다고 언급했다.

연구팀은 배터리를 물이 담긴 양동이에 비유하며 처음에 리튬 이온을 비활성화시켜 헤드스페이스를 확보하는 건 양동이 가장자리 높이를 확보하는 것과 같아서 양동이를 운반할 때 튀는 물량이 줄어드는 것처럼 리튬이온 배터리에서는 충방전 사이클 효율성이 향상된다고 설명했다.

힘으로 최선의 방법을 찾아내는 게 아니라 무엇이 어떻게 작용하고 기능하는지를 이해하는 게 배터리 성능과 제조 효율 최적 균형을 찾는 데 필수적이라고 연구 의의를 설명했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.